隨著我國工業(yè)的增長，含氟廢水的排放量持續(xù)地在增加，已經(jīng)存在一些地區(qū)的水源含氟量超過1mg/L，造成了區(qū)域性的水質(zhì)氟毒化。氟是一種微量元素，相關(guān)研究表明，若每升飲用水只有0.4~0.6毫克的含氟量，其對人體無害，而如果每升水具有大于1.5毫克的含氟量，則會對人體帶來不利的影響，其又稱高氟水，嚴(yán)重的情況會引起氟骨病，因此多年來國家一直嚴(yán)格控制含氟廢水的排放。
對于含氟廢水的處理，一直以來有著眾多的學(xué)者進(jìn)行研究，目前行業(yè)中使用最多的是F-沉淀法，該方法是把石灰加入排放的廢水中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)(F與Ca2+反應(yīng))，生成氟化鈣沉淀從而可以除去F-。該方法對于大多數(shù)企業(yè)來說處理成本比較低，容易被企業(yè)接受，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)僅使用F沉淀法處理后的廢水的含氟濃度不能穩(wěn)定地達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此相關(guān)人員都期望進(jìn)一步研究輔助石灰沉淀法的工藝以再降低含氟濃度。除了石灰沉淀法，當(dāng)然還有其他方法，例如電滲析法、離子交換樹脂法等，但這兩種方法的缺點(diǎn)是處理成本高，除氟效率不高，目前尚難以推廣使用。本文圍繞使用最多的氟離子沉淀法進(jìn)行另一角度的研究，從工藝上改進(jìn)以提高CaF2的沉淀轉(zhuǎn)化效率。
1、實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)背景
化學(xué)研究表明，例如CaCO3這類鈣鹽的晶格能高，而水合能小，導(dǎo)致溶解度低，因此難溶于水。根據(jù)學(xué)者過去的研究可知CaX2(X=Cl，Br，I)都可溶于水，而CaF2難溶于水，如表1所示，因此本文選用CaCl2作為處理劑，對由純凈水與NaF配制的溶液(模擬含氟廢水)進(jìn)行處理。傳統(tǒng)方式是直接將Ca(OH)2投入含氟廢水中，本文為控制變量，利用CaCl2替代Ca(OH)2，避免Ca(OH)2本身對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，而將CaCl2投入含氟廢水中讓其發(fā)生沉淀反應(yīng)，本文改進(jìn)的方法是先加入適量的晶種于含氟廢水中，再加入CaCl2進(jìn)行反應(yīng)。下文將圍繞加不加晶種這個變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。
1.2 實(shí)驗(yàn)過程
為控制單一變量，兩組實(shí)驗(yàn)的含氟廢水、CaCl2溶液的參數(shù)一樣。利用純凈水與NaF配制含F(xiàn)濃度為2g/L的含氟廢水1L，兩組實(shí)驗(yàn)各取300mL;利用純凈水與CaCl2配制含Ca2+濃度為1g/L的CaCl2溶液1L，同樣的，兩組實(shí)驗(yàn)各取300mL，如此含氟廢水、CaCl2溶液的PH都呈中性，對反應(yīng)物不存在二次酸堿反應(yīng)的情況。根據(jù)表1，本文的實(shí)驗(yàn)適合在24°C環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。
第一組實(shí)驗(yàn)，模擬傳統(tǒng)的石灰沉淀法，將300mL的含氟廢水與300mL的CaCl2溶液混合于同一燒杯里，如圖1A所示，并開始計時，在計時時間段內(nèi)連續(xù)攪拌。
第二組實(shí)驗(yàn)，先將20g晶種投入300mL含氟廢水的燒杯中，攪拌一會，然后繼續(xù)將300mL的CaCl2溶液倒入含氟廢水的燒杯中，如圖1A所示，并開始計時，在計時時間段內(nèi)連續(xù)攪拌。
兩組實(shí)驗(yàn)各進(jìn)行4次，探究兩組實(shí)驗(yàn)在化學(xué)反應(yīng)時間推移上的差異，分別計時1min、2min、3min、4min，計時結(jié)束后停止攪拌，并將進(jìn)行過濾，過濾方法是把一張A4紙卷成漏斗狀并放置于漏斗內(nèi)表面并且緊貼漏斗，如圖1B所示，A4紙卷的漏斗口大約保持為0.5mm即可，過濾完成后，A4紙連同沉淀物一起通過烘干機(jī)烘干，兩組實(shí)驗(yàn)的烘干時間相同(5分鐘)，烘干后及時對烘干對象進(jìn)行稱重并記錄。
根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理：溶解度較大的氯化鈣可與含F(xiàn)-的溶液發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成溶解度較小的沉淀，化學(xué)反應(yīng)方程式為：
因此，反應(yīng)后的沉淀物主要為CaF2，其中第二組實(shí)驗(yàn)的沉淀物還有實(shí)驗(yàn)前加入的晶種。
兩組實(shí)驗(yàn)分別同時、同條件進(jìn)行4個反應(yīng)時間不同的實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)時間即攪拌時間。以時間為橫坐標(biāo)，重量為縱坐標(biāo)，對4個實(shí)驗(yàn)分別所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與統(tǒng)計，兩組實(shí)驗(yàn)方法取得的沉淀物CaF2的重量隨反應(yīng)時間的變化如圖2所示：
第一組沉淀物CaF2的重量為：
式中，m測為烘干后測量的實(shí)際重量數(shù)據(jù)，m紙為A4紙的重量。
第二組沉淀物CaF2的重量為：
式中，m晶種為第二組實(shí)驗(yàn)加入的晶種的重量。
1.3 結(jié)果分析
由圖2可見，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)條件的情況下，(1)同一沉淀反應(yīng)的時間內(nèi)，加了晶種的第二組實(shí)驗(yàn)比不加晶種的第一組實(shí)驗(yàn)的沉淀轉(zhuǎn)化物多;(2)再對比兩條曲線，隨著反應(yīng)時間的增加，兩組實(shí)驗(yàn)的沉淀轉(zhuǎn)化物的重量的差距越大。由此可見，在含氟廢水中依次加入晶種、CaCl2，能促進(jìn)生成沉淀物CaF2，即能有效提高CaF2的沉淀轉(zhuǎn)化效率。進(jìn)一步探究其原因，是晶種形成了晶核，能促進(jìn)與之晶型相同的F結(jié)晶在晶種的表面，加快了與Ca2+的沉淀反應(yīng)。
2、結(jié)語
含氟廢水對環(huán)境、人體有危害，國家嚴(yán)格限制含氟廢水的排放，工業(yè)的增長同時需要環(huán)保行業(yè)需要對廢水進(jìn)行處理，本文主要探究加入CaCl2以及晶種來去除廢水的F的效果，設(shè)置了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法具有效率高、效果好的優(yōu)勢，可為環(huán)保行業(yè)提供處理含氟廢水的方法借鑒。CaF2的用途十分廣泛，含氟廢水處理后的這個生成物可再利用，其中就有用于制造玻璃、搪瓷、釉等方面。( >
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