綠色氧化劑高鐵酸鉀在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

賀素姣

（河南化工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042）

綠色氧化劑高鐵酸鉀在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

賀素姣

（河南化工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042）

高鐵酸鉀在水溶液中具有強(qiáng)氧化能力, 其還原產(chǎn)物Fe(Ⅲ)無毒。高鐵酸鉀集氧化殺菌、吸附、絮凝、除臭為一體, 在廢水處理中是一種對(duì)環(huán)境無二次污染、十分有效的新型高效多功能水處理劑，近年來人們給予高鐵酸鉀極大的關(guān)注，高鐵酸鉀被譽(yù)為綠色氧化劑。

綠色氧化劑；水處理；高鐵酸鉀

高鐵酸鉀（K2FeO4）是一種集氧化、吸附、絮凝、助凝、殺菌、脫臭于一身的新型高效多功能綠色水處理劑[1]。其優(yōu)越的氧化性能及獨(dú)特的水處理功能越來越引起人們的廣泛興趣。在水溶液中，高鐵酸鉀以高鐵酸根FeO42-[Fe(Ⅵ)]形式存在，具有極強(qiáng)的氧化性，在酸性和堿性條件下的氧化還原電位分別為+2.20 V和+0.72V。高鐵酸鉀在酸性條件下的氧化能力很高，與水處理領(lǐng)域現(xiàn)有消毒劑相比氧化能力最強(qiáng)，它能快速殺滅水中的細(xì)菌和病毒。另外，與氯消毒劑相比，不會(huì)生成三氯甲烷、氯酚等有害人體健康的消毒副產(chǎn)物[2]，自身的還原產(chǎn)物Fe3+或Fe(OH)3為傳統(tǒng)的無機(jī)絮凝劑。總之，高鐵酸鉀在處理水的過程中，不會(huì)引入任何有毒有害物質(zhì)的，從而保證水質(zhì)的安全性，且游離出來的Fe3+、Fe2+對(duì)人體有補(bǔ)血之功效。另外，適用的pH范圍比含氯藥劑寬，處理后的水無臭無味，口感好，而且成本也低于其它氧化劑[3]。因此高鐵酸鉀有望成為新一代綠色的飲用水處理劑。

對(duì)于廢水的處理，高鐵酸鉀能理想地進(jìn)行微生物消毒，部分地降解或氧化水中有機(jī)物和無機(jī)物雜質(zhì)，且除去膠狀/懸浮的微粒物質(zhì)和重金屬。在所有實(shí)踐中用于水和廢水處理的氧化劑/消毒劑中高鐵酸鹽是最強(qiáng)的。

1 高鐵酸鉀在水和廢水處理中的應(yīng)用

高鐵酸鉀處理水是一個(gè)集氧化、絮凝、吸附和殺菌消毒等協(xié)同作用與連續(xù)發(fā)生的過程。作為一種綠色的水處理劑，高鐵酸鉀適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展要求。一些學(xué)者以高鐵酸鉀作為處理藥劑，研究了高鐵酸鉀對(duì)水污染物的處理效能。一般地，對(duì)于水和廢水的處理來說，高鐵酸鉀有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用。

1.1 高鐵酸鉀氧化有機(jī)/無機(jī)雜質(zhì)

高鐵酸鉀是一種強(qiáng)氧化劑。在酸性條件下（pH<2），F(xiàn)eO42-離子的氧化還原電位比臭氧高，毫無疑問在水和廢水的處理中應(yīng)用的藥劑，高鐵酸鉀是最強(qiáng)的一個(gè)。許多研究已經(jīng)表明高鐵酸鉀能有效去除多種有機(jī)污染物，如酒精、羧基化合物、氨基酸、苯酚及其衍生物、1，2- 二醇、有機(jī)氮化合物、脂肪硫、亞硝胺化合物、頑固的有機(jī)物、硫脲、硫代硫酸鹽、氯氧化物和肼化物。這些化合物氧化的程度與高鐵酸鹽的量有關(guān)；且在減少有機(jī)物濃度時(shí)，過量的高鐵酸鹽對(duì)上述污染物的處理是很有效的。研究表明，pH＜8時(shí)，用高鐵酸鹽氧化4種有機(jī)物苯、氯苯、丙烯和苯酚，最大去除率分別是18%~47%，23%~47%，85%~100%和32%~55%。當(dāng)高鐵酸鹽與有機(jī)雜質(zhì)的摩爾比在3∶1~15∶1的范圍之內(nèi)，達(dá)到高鐵酸鹽的最大氧化效率[4]。美國(guó)環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)列出了129種在自來水中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先去除的污染物，其中的5種，即萘、三氯乙烯、硝基苯、溴二氯甲烷、二氯苯作為高鐵酸鉀氧化試驗(yàn)的對(duì)象。試驗(yàn)表明萘和三氯乙烯可以被高鐵酸鉀完全氧化，硝基苯氧化得比較慢，另外兩種不能被氧化[5]。最近30年，對(duì)副產(chǎn)物CBP的形成已經(jīng)給予了許多關(guān)注[6]。當(dāng)使用傳統(tǒng)的氯和未加工的水含有痕量的自然/合成的有機(jī)物，CBP形成是不可避免的。然而，如果使用高鐵酸鹽，微生物和CBP形成的先驅(qū)將被除去，值得關(guān)注。

對(duì)幾種無機(jī)污染物的氧化研究結(jié)果如下：氰化物，氨和硫化氫，當(dāng)pH值的范圍8~12，溫度為15~300℃時(shí)，高鐵酸鹽可以有效地降解氰化物。當(dāng)高鐵酸鹽與氨的摩爾比大于1時(shí)，除去大于22%的氨，且高鐵酸鹽能除去地下水和廢水中99.9%的硫化氫。此外， K2FeO4濃度在10~100mg·L-1的范圍內(nèi)，能有效地降低許多金屬離子(如 Fe2+，F(xiàn)e3+，Mn2+和Cu2+）和有毒的金屬離子(如Pb2+，Cd2+，Cr3+，Hg2+)。

1.2 高鐵酸鉀除藻

近年來，水體富營(yíng)養(yǎng)化問題逐漸制約著人們生活水平的提高，高鐵酸鉀對(duì)水中的藻類也有很好的殺滅作用。當(dāng)水體中含藻量較高、藻種多為難以去除的藍(lán)綠藻時(shí)，高鐵投加量大于0.8mol·L-1時(shí)，高鐵酸鉀預(yù)氧化對(duì)藻類的去除明顯優(yōu)于高錳酸鉀和氯，而且從二次污染角度考慮，用高鐵酸鉀氧化后，自身分解產(chǎn)生氫氧根離子和氧，對(duì)水質(zhì)無副作用，這也優(yōu)于傳統(tǒng)氯化工藝[8]。高鐵酸鉀除藻是其強(qiáng)氧化性和新生氫氧化鐵共同作用的結(jié)果，作用過程大致為：高鐵酸鉀氧化能夠破壞藻細(xì)胞的表面結(jié)構(gòu)，造成藻細(xì)胞表面鞘套的卷繞，并可能使細(xì)胞的外鞘開裂，致使胞內(nèi)物質(zhì)外流。高鐵酸鉀分解后產(chǎn)生的氫氧化鐵膠體也可以被吸附在一些藻類細(xì)胞表面，在降低細(xì)胞表面電荷的同時(shí)也增加了這些細(xì)胞的沉淀性[9]。用鐵的含量少于10mg·L-1的高鐵酸鉀氧化城市二級(jí)污水中的有機(jī)物，其中含有有機(jī)碳（TOC）12mg·L-1和生物化學(xué)需氧量（BOD）12.8mg·L-1，大約除去35%的TOC和95%的BOD。以上的結(jié)果不包括過濾。當(dāng)考慮高鐵酸鹽的絮凝能力時(shí)，預(yù)期能除去更多的BOD和TOC。

1.3 高鐵酸鉀殺菌消毒

對(duì)于飲用水處理，氯化是一種最普遍的消毒技術(shù)。由于副產(chǎn)物CBP的發(fā)現(xiàn)和它們對(duì)健康潛在的消極影響，已經(jīng)考慮用溴、碘、二氧化氯和臭氧代替氯。然而，它們產(chǎn)生其它的副產(chǎn)物，且認(rèn)為這些副產(chǎn)物是有毒的，在一定程度上對(duì)人體和水棲生物有毒。K2FeO4用于水處理時(shí)與含氯消毒劑相比不會(huì)產(chǎn)生氯代烷烴、氯酚等副產(chǎn)物，被認(rèn)為可替代氯作為水的有效消毒劑。1974年，Murmann與Robinson首次發(fā)現(xiàn)高鐵酸鉀具有明顯的殺菌作用[10]，它可以殺死實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的兩種細(xì)菌（無重組細(xì)胞的假單胞菌和重組細(xì)胞的假單胞菌）。當(dāng)FeO42-離子的濃度范圍是0~50×10-6時(shí)，細(xì)菌被完全破壞。后來，不同的研究表明，高鐵酸鹽有足夠的能力去殺死埃希氏菌屬大腸桿菌 (E.COLI)。當(dāng)接觸時(shí)間為7min，pH值等于8.2，鐵的濃度是6mg·L-1時(shí), 殺死大腸桿菌的百分率是99.9%。為了達(dá)到相同的效果，當(dāng)鐵的濃度減少到2.4mg·L-1那么接觸時(shí)間應(yīng)該延長(zhǎng)到18min。該結(jié)果也表明，如果水的pH值低于8.0時(shí)，F(xiàn)eO42-離子的消毒能力明顯增加。高鐵酸鉀在城市二級(jí)污水中的消毒研究表明[11]，在8mg·L-1的FeO42-離子中，可以除去99.9%的大腸桿菌和97%的可生細(xì)菌。

T. Schink, T. D. Waite 發(fā)現(xiàn)高鐵酸鉀在低濃度下就能快速殺死f2 病毒[12]。日本學(xué)者加藤研究總結(jié)出了高鐵酸鉀對(duì)大腸桿菌和一般細(xì)菌的殺菌能力[13]。覃長(zhǎng)森等人在37℃,加高鐵酸鉀到水樣中至濃度為5.0~6.0mg·L-1時(shí),其消毒殺菌效率為99.95%~99.99%[14]。而且，結(jié)果顯示K2FeO4比氯和溴更有效，且在處理過的水中沒有發(fā)現(xiàn)K2FeO4殘余。相反，在處理過的水中氯和溴通常有殘留[15]。

1.4 高鐵酸鹽的絮凝性能

高鐵酸鹽氧化水中的污染物后, Fe(Ⅵ)會(huì)轉(zhuǎn)化為具有絮凝作用的Fe(OH)3。姜洪泉、金世洲、王鵬的研究表明,高鐵酸鹽具有氧化和絮凝雙重功能,采用高鐵酸鹽預(yù)氧化與聚合鋁絮凝聯(lián)用的方法更為有效,且對(duì)水中酚類有機(jī)物及水中的硫化物具有明顯的氧化去除效[16]。水中有機(jī)物質(zhì)和微生物的氧化中，高鐵酸鹽離子將被還原為Fe3+離子或Fe(OH)3，同時(shí)在該過程中產(chǎn)生一個(gè)絮凝劑。比較K2FeO4、FeSO4·H2O、Fe(NO3)3除去水中渾濁度的性能，結(jié)果表明用K2FeO4處理過的水中剩余的渾濁比用FeSO4，F(xiàn)e(NO3)3少。用高鐵酸鹽去除渾濁也受使用的緩沖溶液的影響。當(dāng)使用的緩沖液分別是磷酸鹽、碳酸鹽、蒸餾過的水，那么去除的效率分別是95%，79%和84%。對(duì)于二級(jí)廢水的處理，當(dāng)高鐵酸鹽的濃度是15mg·L-1時(shí)，渾濁度、COD和懸浮固體分別得到有效地除去；廢水中COD從40mg·L-1減少到7mg·L-1，去除百分率超過80%。另外，低濃度的高鐵酸鹽能達(dá)到同樣的絮凝性能（例如對(duì)于渾濁的去除），與FeCl3和Al2(SO4)3相比產(chǎn)生污泥少。

1.5 關(guān)于誘導(dǎo)有機(jī)體突變物質(zhì)

當(dāng)一種新的化學(xué)藥品用于水的處理時(shí)，處理后的水中是否含有誘導(dǎo)有機(jī)體突變物質(zhì)是很重要的。這也是公眾關(guān)注的健康問題。據(jù)悉大約90%的大家所知的致癌物質(zhì)通過使用艾姆斯氏實(shí)驗(yàn)顯示是誘導(dǎo)有機(jī)體突變物質(zhì)，認(rèn)為誘導(dǎo)有機(jī)體突變物質(zhì)是一個(gè)潛在的致癌物質(zhì)[17]。艾姆斯氏實(shí)驗(yàn)用高鐵酸鹽處理水，初步的研究證明其結(jié)果是否定的[18]，認(rèn)為高鐵酸鹽試劑對(duì)于使用的研究條件不能產(chǎn)生誘導(dǎo)有機(jī)體突變物質(zhì)的副產(chǎn)物。然而，需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究證明在高鐵酸鉀處理不同類型的水時(shí)，沒有誘導(dǎo)有機(jī)突變物質(zhì)的產(chǎn)生。

2 小結(jié)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)水的需求量逐漸增加，水污染亦日益嚴(yán)重，成為世界各國(guó)關(guān)注的環(huán)境問題。高鐵酸鉀作為一種非氯新型高效的水處理劑，適應(yīng)了水處理技術(shù)新的要求，它不僅能快速殺滅水中的細(xì)菌和病毒，不生成三氯甲烷、氯代酚等衍生物，而且可去除水中部分有機(jī)污染物、重金屬離子和脫色除臭。高鐵酸鹽在水處理的應(yīng)用中，同時(shí)有兩個(gè)明顯的作用即化學(xué)消毒和絮凝，故它作為一個(gè)具有雙重作用的水和廢水的處理劑得到人們的重視。但還是存在一些實(shí)際問題有待解決: （1）目前還不能實(shí)現(xiàn)高鐵酸鉀的工業(yè)化生產(chǎn);合成高鐵酸鉀的成本比較高；（2）高鐵酸鉀在水溶液中很不穩(wěn)定；（3）需要系統(tǒng)地研究證明高鐵酸鹽處理不同類型的水時(shí)有沒有產(chǎn)生有機(jī)體突變物質(zhì)；（4）使用高鐵酸鹽作為飲用水處理的化學(xué)試劑需要中試操作，這對(duì)于水工業(yè)將提供很有用的信息；（5）研究氧化與絮凝反應(yīng)機(jī)理及它們對(duì)pH值和高鐵酸鹽濃度的要求。

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Application Progress of Green Oxidant Potassium Ferrate for Water Treatment

HE Su-jiao
（Henan Vocational College of Chemical Technology， Zhengzhou 450042， China）

Potassium ferrate was an effective and multi-functional water treatment agent， had strong oxidationcapacity in aqueous solution. Its reductive product Fe（Ⅲ ） was non-toxic. It integrated the properties， such as oxidizing sterilization， adsorption，fl occulation， and deodorization， without caused secondary pollution in wastewater treatment. In the last decade people payed more attention to the Fe（Ⅵ ） which called green oxidant.

green oxidant; water treatment; potassium ferrate

TQ 085

A

1671-9905(2012)06-0027-03

2012-03-05