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)域性的水質氟毒化。氟是一種微量元素，相關研究表明，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，嚴重的情況會引起氟骨病，因此多年來國家一直嚴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者進行研究，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行化學反應(F與Ca2+反應)，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)定地達到一級排放標準的要求，因此相關人員都期望進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行另一角度的研究，從工藝上改進以提高CaF2的沉淀轉化效率。
1、實驗
1.1 實驗背景
化學研究表明，例如CaCO3這類鈣鹽的晶格能高，而水合能小，導致溶解度低，因此難溶于水。根據(jù)學者過去的研究可知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本身對實驗結果的影響，而將CaCl2投入含氟廢水中讓其發(fā)生沉淀反應，本文改進的方法是先加入適量的晶種于含氟廢水中，再加入CaCl2進行反應。下文將圍繞加不加晶種這個變量進行實驗對比。
1.2 實驗過程
為控制單一變量，兩組實驗的含氟廢水、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，兩組實驗各取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，兩組實驗各取300mL，如此含氟廢水、CaCl2溶液的PH都呈中性，對反應物不存在二次酸堿反應的情況。根據(jù)表1，本文的實驗適合在24°C環(huán)境的實驗室進行。
第一組實驗，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。
第二組實驗，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。
兩組實驗各進行4次，探究兩組實驗在化學反應時間推移上的差異，分別計時1min、2min、3min、4min，計時結束后停止攪拌，并將進行過濾，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烘干，兩組實驗的烘干時間相同(5分鐘)，烘干后及時對烘干對象進行稱重并記錄。
根據(jù)化學反應原理：溶解度較大的氯化鈣可與含F(xiàn)-的溶液發(fā)生復分解反應生成溶解度較小的沉淀，化學反應方程式為：
因此，反應后的沉淀物主要為CaF2，其中第二組實驗的沉淀物還有實驗前加入的晶種。
兩組實驗分別同時、同條件進行4個反應時間不同的實驗，反應時間即攪拌時間。以時間為橫坐標，重量為縱坐標，對4個實驗分別所得的數(shù)據(jù)進行記錄與統(tǒng)計，兩組實驗方法取得的沉淀物CaF2的重量隨反應時間的變化如圖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晶種為第二組實驗加入的晶種的重量。
1.3 結果分析
由圖2可見，在相同實驗環(huán)境與實驗條件的情況下，(1)同一沉淀反應的時間內(nèi)，加了晶種的第二組實驗比不加晶種的第一組實驗的沉淀轉化物多;(2)再對比兩條曲線，隨著反應時間的增加，兩組實驗的沉淀轉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，能促進生成沉淀物CaF2，即能有效提高CaF2的沉淀轉化效率。進一步探究其原因，是晶種形成了晶核，能促進與之晶型相同的F結晶在晶種的表面，加快了與Ca2+的沉淀反應。
2、結語
含氟廢水對環(huán)境、人體有危害，國家嚴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，設置了實驗，驗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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