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利用實驗室資源來自凈化學實驗室廢水


   目前,新聞報道的多數針對高校、科研機構、檢測機構和企業中的檢驗研究部門中的化學實驗室廢水,排放的特殊性、對環境的危害性及處理方法。這些部門排出的廢水成分復雜,除無機物外還有重金屬離子、細菌等微生物和有機物,處理藥劑品種繁多。但針對中學實驗室這方面的研究報道較少,而中學實驗室廢水的成分比較簡單,含量較低,更易于處理。本文提出了凈化處理實驗室廢水方案,并充分利用實驗室現有器材設計了廢水凈化的流程圖和操作裝置,簡單易行,既可減輕污水處理廠后續去除廢水中雜質的負擔,又為日后各中學化學實驗室建設和廢水處理提供一個參考方案。
 
  一、實驗室廢水處理流程及裝置
  需要先收集每次實驗后產生的廢水,經過以下流程圖來逐級進行凈化操作,處理后的凈化水可以直接排放,或回收再利用。
對于處理過程中產生的有毒有害氣體,如氯氣等,需要回收或吸收,防止實驗室內空氣污染。如果實驗室處理后的清水水質很好還可以回用,如沖洗廁所、澆灌花卉綠地等,這樣可以節約大量水資源。如果出水水質一般,可以直接排放到下水道。特別提示,有些實驗廢水的酸性或堿性較強,需要考慮收集容器的防腐蝕問題,或需要用相應的廢酸或廢堿來中和。
 
  二、化學實驗室廢水的處理方法
  1.收集并分析化學實驗室廢水的主要成分
分析每次實驗后收集起來的廢水水質前,需要了解本次實驗內容和所用藥品類型,確定雜質離子的種類。觀察廢水中是否有固體物質,是無機化學沉淀物還是有機物,列表并記錄。
 
  2.調整廢水的pH值
  先用pH試紙或酸度計測定廢水的pH值,以確定酸堿中和需要用廢酸廢堿(以廢治廢)的量和濃度,以防腐蝕設備,同時可以預先產生大量的沉淀物。
 
  3.用化學沉淀法來分離廢水中的可溶性離子
  選擇化學藥品時要把握“種類少、用量省、價格便宜”的原則,根據廢水的成分分批處理。Ca2+,Ag+,Ba2+,SO42-,Cl-等離子容易轉變為沉淀和氣體,而K+,Na+,NO3-等可溶鹽離子用此法難以除掉。這種處理方法的缺點是,因加入化學藥品而使水引入新的雜質,造成二次污染。
 
  4.化學污泥的沉淀和過濾
  通過上述化學沉淀法會得到大量的固體沉淀,需要進一步和水分離。先將反應后的混合液靜置一段時間后,沉淀就會沉降到容器的底部而使溶液分層。若使用離心機進行離心分離,幾分鐘內就能完成。再將分層后的上清液進行過濾,進一步除去沒有沉淀下來的固體。也可用真空抽濾器,幾分鐘內完成。
 
  5.自制多濾層的廢水凈化器
  取一個2~5L空飲料瓶或塑料桶,剪去底部,瓶口用單孔橡膠塞塞住,連接玻璃導管和橡皮導管(帶止水夾)。將飲料瓶口朝下倒置,瓶內由下至上分層放置膨松棉、洗凈的鐵絲網(起支撐作用)、雙層紗布、活性炭、雙層紗布、混合后的陰陽離子交換樹脂、雙層紗布、石英砂和小玻璃珠(本試驗中因石英砂和小玻璃珠的大小形狀和粒徑相近而混裝)、鐵絲網,最上層是多層紗布(可根據實際情況隨時更換和清洗后再用)。
  把經過沉淀和過濾后的廢水的上清液倒入自制廢水凈化器,可進一步減少其中的懸浮物、離子和有色物質。
 
  6.用活性炭吸附和脫色
  廢水中的某些有色物質,如酸堿指示劑反應后的產物、苯酚等有機物,如果濃度較大,也需要進行脫色處理。我們選擇多孔、比表面積大、吸附和脫色性能好的活性炭,即可以吸附水中的細小固體雜質,還可以吸附可溶性的有色有機小分子。
 
  7.電解法回收金屬
  高中學校實驗室總會產生大量的高濃度的銅離子廢水,我們用電解法先降低銅離子的濃度。用化學教科書上的電解實驗裝置處理廢水,效率較低,有局限性。因此我們選擇用圖4所示的具支U形管,把陰極和陽極分開進行電解。用U形管電解實驗來回收金屬,如實驗室CuCl2廢水的處理,陰極和陽極附近的產物易分離,易回收。在陰極產生Cu,陽極產生Cl2。經過以上方法處理后,廢水中的離子還有許多,如果想提高水質而回用,可采用電滲析技術。
為了防止電解后產生的大量尾氣污染空氣,可在陰極支管端用小氣球密封和收集少量的氫氣,陽極支管端連接倒置的小漏斗來用濃堿吸收大量有毒的氯氣。同時可以在陰極收集到大量的金屬銅。電解后的廢水再次收集器,進行下一步處理。
 
  8.難沉淀的鈉離子、鉀離子、硝酸根等離子的電滲析
  人造滲透膜(陰、陽離子交換膜)對要交換的離子具有選擇性和透過性,水分子也可以自由通過。這種電滲析法膜處理技術,在現代工業水質凈化中應用很普遍,但對于高中生則很陌生。它適合處理濃度較小的廢水,否則會堵塞膜孔,影響出水水質甚至降低膜的使用壽命。它的優點是占地面積很小,處理的水量卻很大,適合化學實驗室使用。
  電滲析裝置在接通電源后會產生電場推動力,選擇性地使陰、陽離子透過交換膜而分離溶質和水。一般,陰離子交換膜又叫陰膜,只容許陰離子通過;陽離子交換膜又叫陽膜,陽膜只讓陽離子通過。圖5為電滲析處理系統其中的一個單元,化學實驗室可根據廢水量而選擇多個單元組成。
 電滲析裝置工作過程:將已經過前處理的廢水引流到廢水入口處,經過半透膜通道時,其中的雜質離子分別通過陰膜和陽膜成為濃縮水而分別匯集到排污口,回收利用。這種電滲析裝置可在常溫常壓條件下進行操作,濃縮分離同時進行,不需投加藥品,出水的水質好,可再利用。目前電滲析法還被廣泛應用到許多領域,如自來水廠和發電廠制取純水,海水或苦咸水的淡化處理,酸洗廢水回收硫酸和鐵,芒硝回收硫酸和堿等。

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