CN104558324A - 废水重金属的资源化回收应用 - Google Patents

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谭群华
张乃庆
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Abstract

一种重金属离子回收剂，其特征在于，包含如下结构式所示的化合物：其中，R1选自氢、碳原子数小于6的烷基及其衍生物、胺基及其衍生物、芳基及其衍生物；n为大于等于50的整数；M为K、Na、Li或NH4。本发明提供的重金属离子回收剂在水中可以快速的与二价和/或三价的重金属离子形成稳定的交联网状的重金属离子螯合物，形成絮状沉淀，方便进行分离回收，即可将废水中的重金属离子回收。含重金属离子废水可达标排放，分离后的重金属离子螯合物进行还原处理后可以回收重金属。

Description

废水重金属的资源化回收应用
技术领域
本发明涉及资源回收技术领域，具体地说是一种重金属离子回收剂及其制造方法和应用。
背景技术
重金属废水是在矿冶、机械加工、化工、电子、仪表等工业生产过程中排放的废水。重金属废水是一类对环境污染严重和对人类和动植物危害极大的工业废水，主要污染物包括镉、镍、铜、铬、汞、铅等。随着国内工业的迅猛发展，大量的含重金属离子的工业废水排入水体，进而进入土壤，再经过生物的富集和循环进入人体。
据相关统计，2012年国内黑色金属矿冶业排放重金属废水达26亿吨，有色金属矿冶业重金属废水达13亿吨，电子机械业排放重金属废水21亿吨，电镀业排放电镀废水51亿吨。近几年接二连三爆发的重金属污染事件，都在敲响警钟--重金属废水的污染控制是目前我国工业发展的当务之急。
一般来说，重金属废水的排放如不经处理，含重金属废水大量排入湖泊、海洋、土壤，会被生物富集并通过食物链进入人体，严重危害人体健康。同时重金属往往又是不可再生资源，重金属废水的大量排放不仅污染环境，危害人们的健康和破坏生态环境，也是对宝贵资源的一种浪费。
发明内容
本发明旨在克服上述缺陷，提供一种废水重金属离子回收剂并将其应用于重金属废水处理中，可基本去除废水中的多种重金属离子，废水可以达标排放。同时可以将重金属富集后进行统一处理，回收利用。
本发明提供的一种重金属离子回收剂，其特征在于，包含如下结构式所示的化合物：
其中，R1选自氢、碳原子数小于6的烷基及其衍生物、胺基及其衍生物、芳基及其衍生物；
n为大于等于50的整数；
M为K、Na、Li或NH4。
该重金属离子回收剂由聚丙烯酰胺或其衍生物、二硫化碳、强碱和去离子水制造而成。
具体反应方程式为:
其中，R1选自氢、碳原子数小于6的烷基及其衍生物、胺基及其衍生物、芳基及其衍生物；
n为大于等于50的整数；
m为大于10的整数；
K为大于10的整数；
R2为羟基、烷氧基、氨基、烷基氨；
M为K、Na、Li等金属或NH4。
具体制造工艺如下所示：
步骤一、将聚丙烯酰胺或其衍生物溶于去离子水；溶解后的质量浓度为15-85％；优选为20-55％。
步骤二、于上述溶液中，加入碱剂水溶液，混合搅拌均匀；该碱剂水溶液的质量浓度为15-85％；优选为20-55％。
步骤三、于上述溶液中，保持搅拌的情况下，缓慢加入二硫化碳；
步骤四、二硫化碳添加完毕后，搅拌反应至室温，停止反应；
其中，在制造的过程中，反应体系温度控制在80℃及以下。
上述聚丙烯酰胺或其衍生物：二硫化碳：碱剂优选的摩尔比为1-2：n：0.5n-1.2n；n为大于等于50的整数。相当于每1-2mol的聚丙烯酰胺或其衍生物的单体与1mol的二硫化碳及0.5-1.2mol的一价金属离子进行反应。
聚丙烯酰胺或其衍生物：二硫化碳：碱剂的摩尔最优选的摩尔比比为1-2：n：0.8n-1n；n为大于等于50的整数。相当于每1-2mol的聚丙烯酰胺或其衍生物的单体与1mol的二硫化碳及0.8-1mol的一价金属离子进行反应。
上述碱剂选自有机碱或无机碱中的一种或几种的混合物；
优选自氨基化合物、碱金属氢化物、碱金属或碱土金属的氢氧化物、有机金属锂化合物、金属醇、季铵碱中的一种或几种的混合物；上述金属优选为一价金属。
最优选的碱剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨基钾、氨基钠、氨水、叔丁基锂、二异丙基氨锂、苄基锂、甲醇钠、甲醇钾、乙醇钠、乙醇钾、叔丁醇钾、叔丁醇钠中的一种或几种的混合物。
值得指出的是，上述重金属离子回收剂可以为纯物质的水溶液，也可以为包含未能完全反应的反应物或多聚合度产物的混合物质。
另外，由于在上述制备过程中含水量较大，在生产过程中，为方便储存和运输，可以适当的除去部分或全部的水分。
此外，本发明还提供了一种重金属离子回收剂的使用方法，其特征在于：将上述重金属离子回收剂直接和经分析确认重金属类型和含量的废水混合搅拌，经检测重金属离子达标后，废水可排放，收集已经吸附重金属离子的沉淀物进行资源化回收利用处理。
上述混合比例依实际废水情况而定。也可采取一边添加一边搅拌，根据沉淀物的持续生成与否来确定添加量。
将所述沉淀物制备成悬浮液，加入还原剂进行反应，将螯合态重金属离子还原成O价重金属，实现回收。
其中，还原剂选自四氢锂铝、四氢硼钠、O价铁粉、甲醛中的一种。
发明的作用与效果
本发明提供的重金属离子回收剂在水中可以快速的与二价和/或三价的重金属离子形成稳定的交联网状的重金属离子螯合物，形成絮状沉淀，方便进行分离回收，即可将废水中的重金属离子回收。含重金属离子废水可达标排放，分离后的重金属离子螯合物进行还原处理后可以回收重金属。
在本发明中，选用聚丙烯酰胺或其衍生物作为底物，当R1基团选自不同的取代基团，如：氢、碳原子数小于6的烷基及其衍生物、胺基及其衍生物、芳基及其衍生物等时，可使其最终获得的重金属离子回收剂具备，因其结构效应，获得不同的物理化学特性。例如：油溶性或水溶性的提高，从而能适用于特种/特殊废水体系；还如：因共轭结构或空间效应存在，在使用的过程中，其所形成的鳌合物中，其被鳌合的金属部分具备良好的定位效应或更易于被还原的结果。
具体实施方式
实施例1
将360g的聚丙烯酰胺溶于300g去离子水，加入溶于100g去离子水的270g甲醇钠溶液混合搅拌，再缓慢加入380g二硫化碳混合搅拌，控制温度不高于80℃下搅拌到反应温度与室温相当时，停止搅拌，即为一种重金属离子回收剂。(约等于聚丙烯酰胺单体：Na+：CS2的摩尔比为1：1：1)
用以上制备的重金属离子回收剂直接和经分析确认重金属类型和含量的废水混合搅拌，经检测重金属离子达标后可废水可排放，收集已经吸附重金属离子的沉淀物进行资源化回收利用处理。
将上述已经吸附了重金属离子的沉淀物制备成悬浮液，加入四氢锂铝进行反应，将螯合态重金属离子还原成O价重金属后，进行回收。
实施例2：
将366g的聚丙烯酰胺溶于400g去离子水，加入溶于400g去离子水的200g氢氧化钠溶液混合搅拌，再缓慢加入380g二硫化碳混合搅拌，控制温度不高于80℃下搅拌到反应温度与室温相当时，停止搅拌，即为一种重金属离子回收剂。(约等于聚丙烯酰胺单体：Na+：CS2的摩尔比为1：1：1)
某冶金废水的主要重金属为：Cd,Co,Cu,Ni,Pb。废水PH值为2.5，经沉淀废水中的杂质后，取上清液分析测定重金属浓度，加入上述制备的重金属离子回收剂10g/L搅拌5分钟后，过滤絮状沉淀后检测重金属浓度。如下表：
重金属 Cd Co Cu Ni Pb
初始浓度(mg/l) 7.8 22.4 320.5 510.1 28.6
最终浓度(mg/l) 0.05 0.06 0.1 0.12 0.06
去除率％ 99.36 99.73 99.97 99.98 99.79
用以上制备的重金属离子回收剂直接和经分析确认重金属类型和含量的废水混合搅拌，经检测重金属离子达标后可废水可排放，收集已经吸附重金属离子的沉淀物进行资源化回收利用处理。
将上述已经吸附了重金属离子的沉淀物制备成悬浮液，加入四氢硼钠进行反应，将螯合态重金属离子还原成复合重金属回收。
实施例3：
将780g的聚丙烯酰胺溶于400g去离子水，加入溶于560g去离子水的224g氢氧化钾溶液混合搅拌，再缓慢加入380二硫化碳混合搅拌，控制温度不高于80℃下搅拌到反应温度与室温相当时，停止搅拌，即为一种重金属离子回收剂。(约等于聚丙烯酰胺单体：K+：CS2的摩尔比为2：0.8：1)
用以上制备的重金属离子回收剂直接和经分析确认重金属类型和含量的废水混合搅拌，经检测重金属离子达标后可废水可排放，收集已经吸附重金属离子的沉淀物进行资源化回收利用处理。
将上述已经吸附了重金属离子的沉淀物制备成悬浮液，加入钠米0价铁进行反应，将螯合态重金属离子还原成重金属回收。
实施例4：
将480g的聚丙烯酰胺溶于400g去离子水，加入溶于200g去离子水的245g氢氧化钠溶液混合搅拌，再缓慢加入500二硫化碳混合搅拌，控制温度不高于80℃下搅拌到反应温度与室温相当时，停止搅拌，即为一种重金属离子回收剂。(约等于聚丙烯酰胺单体：Na+：CS2的摩尔比为1：0.9：1)
用以上制备的重金属离子回收剂直接和经分析确认重金属类型和含量的废水混合搅拌，经检测重金属离子达标后可废水可排放，收集已经吸附重金属离子的沉淀物进行资源化回收利用处理。
将上述已经吸附了重金属离子的沉淀物制备成悬浮液，加入甲醛进行反应，将螯合态重金属离子还原成重金属回收。
实施例5：
将490g的聚丙烯酰胺溶于500g去离子水，加入溶于500g去离子水的196g甲醇钾溶液混合搅拌，再缓慢加入500g二硫化碳混合搅拌，控制温度不高于80℃下搅拌到反应温度与室温相当时，停止搅拌，即为一种重金属离子回收剂。(相当于聚丙烯酰胺单体：K+：CS2的摩尔比为1：0.5：1)
用以上制备的重金属离子回收剂直接和经分析确认重金属类型和含量的废水混合搅拌，经检测重金属离子达标后可废水可排放，收集已经吸附重金属离子的沉淀物进行资源化回收利用处理。
将上述已经吸附了重金属离子的沉淀物制备成悬浮液，加入钠米0价铁进行反应，将螯合态重金属离子还原成重金属回收。
实施例6：
将350g的聚丙烯酰胺溶于350g去离子水，加入溶于850克含NH310％的氨水中混合搅拌，再缓慢加入380g二硫化碳混合搅拌，控制温度不高于60℃下搅拌到反应温度与室温相当时，停止搅拌，即为一种重金属离子回收剂。(约等于聚丙烯酰胺单体：NH4 +：CS2的摩尔比为1：1：1)
制备1000克3000PPM的硫酸铜溶液，加入15克上述制备的重金属离子回收剂搅拌5分钟，过滤去除絮状物后，检测铜离子浓度为：0.2PPM。
将上述已经吸附了重金属离子的沉淀物制备成悬浮液，加入四氢硼钠3g进行反应，将螯合态重金属铜离子还原成0价铜分子，经过滤、干燥后称重得1.15g铜，与理论计算值基本相符。
实施例7：
将380g的聚丙烯酰胺溶于400g去离子水，加入溶于400g去离子水的280g乙醇钾(1mol)溶液混合搅拌，再缓慢加入380g(1mol)二硫化碳混合搅拌，控制温度不高于80℃下搅拌到反应温度与室温相当时，停止搅拌，即为一种重金属离子回收剂。(约等于聚丙烯酰胺单体：K+：CS2的摩尔比为1：1：1)
用以上制备的重金属离子回收剂直接和经分析确认重金属类型和含量的废水混合搅拌，经检测重金属离子达标后可废水可排放，收集已经吸附重金属离子的沉淀物进行资源化回收利用处理。
将上述已经吸附了重金属离子的沉淀物制备成悬浮液，加入四氢锂铝进行反应，将螯合态重金属离子还原成O价重金属回收。
实施例8：
将810g的聚N-苄甲基丙烯酰胺溶于520g去离子水，加入溶于350g去离子水的195g氨基钠溶液混合搅拌，再缓慢加入380g二硫化碳混合搅拌，控制温度不高于80℃下搅拌到反应温度与室温相当时，停止搅拌，即为一种重金属离子回收剂。(约等于聚N-苄甲基丙烯酰胺单体：Na+：CS2的摩尔比为1：1：1)
用以上制备的重金属离子回收剂直接和经分析确认重金属类型和含量的废水混合搅拌，经检测重金属离子达标后可废水可排放，收集已经吸附重金属离子的沉淀物进行资源化回收利用处理。
将上述已经吸附了重金属离子的沉淀物制备成悬浮液，加入甲醛进行反应，将螯合态重金属离子还原成重金属回收。
实施例9：
将425g的聚N-甲基丙烯酰胺溶于520g去离子水，加入溶于350g去离子水的384g叔丁基锂溶液混合搅拌，再缓慢加入380g二硫化碳混合搅拌，控制温度不高于80℃下搅拌到反应温度与室温相当时，停止搅拌，即为一种重金属离子回收剂。(约等于聚N-甲基丙烯酰胺单体：Li+：CS2的摩尔比为1：1.2：1)
用以上制备的重金属离子回收剂直接和经分析确认重金属类型和含量的废水混合搅拌，经检测重金属离子达标后可废水可排放，收集已经吸附重金属离子的沉淀物进行资源化回收利用处理。
将上述已经吸附了重金属离子的沉淀物制备成悬浮液，加入甲醛进行反应，将螯合态重金属离子还原成重金属回收。

Claims (10)

1.一种重金属离子回收剂，其特征在于，包含如下结构式所述的化合物：
其中，R1选自氢、碳原子数小于6的烷基及其衍生物、胺基及其衍生物、芳基及其衍生物；
n为大于等于50的整数；
M为K、Na、Li或NH4。
2.如权利要求1所述的一种重金属离子回收剂，其特征在于：
由聚丙烯酰胺或其衍生物、二硫化碳和强碱制造而成。
3.如权利要求1或2所述的一种重金属离子回收剂的制造方法，其特征在于，具体制造工艺如下所述：
步骤一、将聚丙烯酰胺或其衍生物溶于去离子水；
步骤二、于上述溶液中，加入碱剂水溶液，混合搅拌均匀；
步骤三、于上述溶液中，保持搅拌的情况下，缓慢加入二硫化碳；
步骤四、二硫化碳添加完毕后，搅拌反应至室温，停止反应；
其中，在制造的过程中，反应体系温度控制在80℃及以下。
4.如权利要求3所述的一种重金属离子回收剂的制造方法，其特征在于：
所述聚丙烯酰胺或其衍生物：二硫化碳：碱剂的摩尔比为1-2：n：0.5n-1.2n；
其中，n为大于等于50的整数。
5.如权利要求3所述的一种重金属离子回收剂的制造方法，其特征在于：
所述聚丙烯酰胺或其衍生物：二硫化碳：碱剂的摩尔比为1-2：n：0.8n-1n；
其中，n为大于等于50的整数。
6.如权利要求3所述的一种重金属离子回收剂的制造方法，其特征在于：
所述碱剂选自氨基化合物、碱金属氢化物、碱金属或碱土金属的氢氧化物、有机金属锂化合物、金属醇、季铵碱中的一种或几种的混合物。
7.如权利要求3所述的一种重金属离子回收剂的制造方法，其特征在于：
所述碱剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨基钾、氨基钠、氨水、叔丁基锂、二异丙基氨锂、苄基锂、甲醇钠、甲醇钾、乙醇钠、乙醇钾、叔丁醇钾、叔丁醇钠中的一种或几种的混合物。
8.如权利要求1所述的一种重金属离子回收剂的使用方法，其特征在于：
将所述重金属离子回收剂直接和经分析确认重金属类型和含量的废水混合搅拌，经检测重金属离子达标后，废水可排放，收集已经吸附重金属离子的沉淀物进行资源化回收利用处理。
9.如权利要求8所述的一种重金属离子回收剂的使用方法，其特征在于：
将所述沉淀物制备成悬浮液，加入还原剂进行反应，将螯合态重金属离子还原成O价重金属，实现回收。
10.如权利要求9所述的一种重金属离子回收剂的制造方法，其特征在于：
所述还原剂选自四氢锂铝、四氢硼钠、O价铁粉、甲醛中的一种。
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