高鐵酸鹽的穩(wěn)定性及其對染料廢水的處理

馬 春

( 大連工業(yè)大學 輕工與化學工程學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

目前我國仍廣泛使用含氯消毒劑處理飲用水和廢水,它易于形成對人體有害的有機氯化物。因此,尋找新型環(huán)保的氯消毒劑替代品已勢在必行。高鐵酸鉀作為非氯型水處理劑,具有在整個pH范圍都具有良好的氧化性和選擇性,不僅能快速殺滅水中的細菌和病毒,而且還可以去除水中部分有機及無機污染物,且不生成三氯甲烷、氯代酚等致癌物質。高鐵酸鉀作為環(huán)境友好的化學試劑,還具有較高的氧化還原電位、較大的電化學理論容量、強氧化和多相凝聚等特性,且原料來源豐富[1]。因此,高鐵酸鹽不僅能夠作為化工生產(chǎn)中磺酸、亞硝酸鹽、亞鐵氧化物和其他無機物、有機合成反應中的氧化劑和超級鐵電池中的正極材料,還可以用于廢水和生活用水的處理劑,是一種極具應用潛力的綠色化學品。

然而,由于高鐵酸鉀在水中、潮濕或有其他離子污染的條件下穩(wěn)定性較差[2]。因此,了解保存條件對高鐵酸鹽穩(wěn)定性的影響以及掌握提高其穩(wěn)定性的方法是當務之急。本研究著重考察了高鐵酸鹽溶液濃度、pH、溫度和包覆對高鐵酸鉀穩(wěn)定性的影響,評價了乙基纖維素包覆型高鐵酸鉀的緩釋效果及其對染料廢水的處理與絮凝能力。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

KOH、KMnO4、Fe(NO3)3、濃HCl、HNO3、濃H2SO4,均為優(yōu)級純。

Cary100紫外/可見分光光度儀；EL204電子天平；TDL-50B離心機；CKX41生物顯微鏡。

1.2 高鐵酸鉀的制備

在一定溫度下,將氯氣緩慢通入一定濃度的氫氧化鉀溶液中,生成高濃度次氯酸鉀溶液,在劇烈攪拌下,將Fe(NO3)3分批加入堿性次氯酸鉀溶液中反應生成K2FeO4,加KOH固體至飽和,使K2FeO4充分結晶析出,離心分離得到粗產(chǎn)品高鐵酸鉀晶體,用重結晶方法得到高純度的高鐵酸鉀。

1.3 包覆高鐵酸鉀的制備

稱取一定量的乙基纖維素于圓底燒瓶中,加入適量的正己烷,在50 ℃水浴中加熱回流,待乙基纖維素成透明溶液后,加人定量高鐵酸鉀固體,混合均勻后,置于玻璃板上,待正己烷揮發(fā)后,得到包覆高鐵酸鉀。

1.4 高鐵酸鉀標準曲線的繪制

分別量取不同量的高鐵酸鉀標準溶液置于25.00 mL系列比色管中,加水稀釋至刻度、混勻。以水為空白,用2.00 cm比色皿在505 nm波長處依次直接測定吸光度A,以A對c作線性回歸處理,繪制標準曲線,見圖1。

圖標準曲線

1.5 高鐵酸鉀穩(wěn)定性及包覆緩釋性能

高鐵酸鉀穩(wěn)定性及包覆緩釋性能采用Venkatadri[3]提出的直接分光光度定量分析法測定。對高鐵酸鉀溶液定時取樣,測定K2FeO4于505 nm處的吸光度,按照吸光度變化及其高鐵酸鉀標準曲線(圖1)計算累積釋放量。釋放率為

式中:Q為釋放率,%；c0為理論高鐵酸鉀濃度,mmol/L；c為實測高鐵酸鉀濃度, mmol/L。

1.6 包覆高鐵酸鉀處理染料模擬廢水

量取質量濃度為50 mg/L的活性艷藍KN-R的模擬廢水200 mL,向其中加入0.25 g的包覆高鐵酸鉀,搖床進行攪拌,并且以一定的時間間隔取,樣用分光光度計測量其吸光度的變化,計算脫色率。脫色率P的計算:

式中:P為脫色率,%；A0為處理前染料廢水吸光度；A為處理后染料廢水吸光度。

2 結果與討論

2.1 溶液濃度對高鐵酸鉀穩(wěn)定性的影響

圖2為不同濃度的高鐵酸鹽溶液隨時間變化的吸光度變化曲線。由圖2可見,隨著高鐵酸鉀溶液濃度的降低,溶液吸光度變化趨緩,表明高鐵酸鉀溶液在較低濃度條件下是非常穩(wěn)定的,這也與宋亞瑞等[4]的研究結果是一致的。

圖2 溶液濃度對高鐵酸鉀穩(wěn)定性的影響

Fig.2 Effect of concentration on stability of K2FeO4solution

2.2 溶液pH對高鐵酸鉀穩(wěn)定性的影響

選取高鐵酸鉀濃度為0.75 mmol/L,采用鹽酸和氫氧化鉀調節(jié)溶液pH分別為5、7、9、11。當調節(jié)高鐵酸鉀溶液為pH=5后,高鐵酸鉀溶液由紫色即刻轉變?yōu)樽攸S色。當溶液pH逐漸升高,高鐵酸鉀分解速度逐漸變慢；當溶液pH為11時,高鐵酸鉀分解速率已明顯變緩。圖3表明溶液pH的增加有利于抑制高鐵酸鉀的分解。

圖3 溶液pH對高鐵酸鉀穩(wěn)定性的影響

2.3 溫度對高鐵酸鉀穩(wěn)定性的影響

選取0.75 mmol/L的高鐵酸鉀溶液,pH為7,控制溶液溫度為15、25、35、45 ℃,考察了溫度對高鐵酸鉀穩(wěn)定性的影響,如圖4所示。

圖4 溫度對高鐵酸鉀穩(wěn)定性的影響

Fig.4 Effect of temperature on stability of K2FeO4solution

由圖4可見,當存放高鐵酸鉀溶液的溫度為35和45 ℃時,1 h后高鐵酸鉀就幾乎分解完全；而25和15 ℃存放的溶液,在5 h后未分解的高鐵酸鉀仍然達到10%和59%。此結果表明低溫的存放環(huán)境有利于抑制高鐵酸鉀的分解。

(a)

(b)

圖5 不同離子摻雜對高鐵酸鉀的影響

Fig.5 Influence of doping on stability of ferrate solution

2.4 包覆后高鐵酸鉀的穩(wěn)定性

本研究采用乙基纖維素作為包壁材料來降低其與外界的接觸,并利用其孔結構實現(xiàn)水處理時高鐵酸鉀的緩釋。圖6所示,隨著乙基纖維素和高鐵酸鉀質量比的增加,穩(wěn)定性能逐漸提高。放置4 d后,高鐵酸鉀的剩余百分比分別為92.0%、84.8% 和78.1%,而沒有包覆的高鐵酸鉀固體在放置4 d時僅剩約40%。這說明乙基纖維素的包覆能夠有效抑制高鐵酸鉀的分解。

圖6 包覆對高鐵酸鉀穩(wěn)定性的影響

2.5 包覆高鐵酸鉀的釋放性能

將不同包覆比例的產(chǎn)物放入水溶液中,考察其不同時間的高鐵酸鉀釋放濃度,結果如圖7所示。包覆產(chǎn)品與溶液接觸時,在較短時間內(t<10 min)快速釋放高鐵酸鉀,這是因為有部分高鐵酸鉀沒有被均勻包覆所致。經(jīng)過快速釋放過程后,高鐵酸鉀的釋放速度逐漸變緩,緩釋120 min時,質量比為15∶1的包覆產(chǎn)品的釋放百分率約為67%、10∶1的釋放百分率約為72%、5∶1的釋放百分率約能達到76%。由圖6可知,釋放百分率會隨著乙基纖維素與高鐵酸鉀質量比的增大而減小。

圖7 包覆產(chǎn)品的緩釋效果

2.6 包覆高鐵酸鉀對含染料廢水處理效果

乙基纖維素與高鐵酸鉀質量比為15∶1、10∶1 和5∶1的包覆型高鐵酸鉀對染料廢水進行處理,實驗結果如圖8所示。脫色率都會隨著氧化時間的延長而升高,反應起始階段,染料廢水脫色率增長比較快,氧化時間為20 min時,對染料脫色率能達到50%左右。氧化時間為40 min時,包覆型高鐵酸鉀對染料的脫色率可達70%以上。包覆高鐵酸鉀對染料廢水脫色性能與緩釋過程是相似的,說明包覆產(chǎn)品能夠用于廢水的處理,并實現(xiàn)其長效性能。

圖8 包覆產(chǎn)品對廢水的處理效果

Fig.8 Effect of encapsulation-type K2FeO4on wastewater removal ratio

3 結 論

(1)提高高鐵酸鉀溶液的pH、降低其濃度和保存溫度能夠抑制其分解,提高其穩(wěn)定性。

(3)采用乙基纖維素包覆法能明顯提高高鐵酸鉀的穩(wěn)定性。釋放百分率會隨著乙基纖維素與高鐵酸鉀質量比的增大而減小。

(4)高鐵酸鉀處理染料模擬廢水的實驗中,染料廢水水體的濁度大大降低。是因為高鐵酸鉀不僅能使染料氧化分解,而且其還原產(chǎn)物能使染料的分解產(chǎn)物沉淀,達到水體澄清的效果,并具有長效性能。

[2] 王立立,曲久輝,王忠秋. 高鐵穩(wěn)定性及其影響因素的研究[J]. 東北電力學院學報, 1999, 19(1):6-9.

[3] VENKATADRI A S, WAGNER W F, BAUER H H. Ferrate(Vi) analysis by cyclic voltammetry[J]. Analytical Chemistry, 1971, 43(8):1115-1119.

[4] 宋亞瑞,馬健偉,宋華. Fe(VI)的合成及其穩(wěn)定性研究[J]. 化學通報, 2006(11):849-852.

[5] 張彥平,許國仁,程恒衛(wèi),等. 摻雜對復合高鐵酸鹽溶液穩(wěn)定性的影響[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報, 2008, 40(2):217-219.