高鐵酸鹽在線制備及應(yīng)用的實驗設(shè)計

張 嬌， 辛言君， 柴 超

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，青島市農(nóng)村環(huán)境工程研究中心，山東 青島 266109)

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高鐵酸鹽在線制備及應(yīng)用的實驗設(shè)計

張 嬌， 辛言君， 柴 超

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，青島市農(nóng)村環(huán)境工程研究中心，山東 青島 266109)

設(shè)計了濕法在線制備高鐵酸鹽并應(yīng)用于亞甲基藍染料廢水處理的特種廢水處理課程實驗。研究了廢水pH、停留時間和高鐵酸鹽投加量對廢水脫色效果的影響，從而獲取高鐵酸鹽處理亞甲基藍廢水的最優(yōu)運行參數(shù)。結(jié)果表明，最佳運行參數(shù)為：pH 2～3，停留時間30 min，高鐵酸鹽與亞甲基藍總量的比例1 mL∶15 g。最佳運行條件下，高鐵酸鹽對濃度50 mg/L的亞甲基藍廢水的脫色率為87%。該實驗對訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力發(fā)揮重要作用。

高鐵酸鹽； 在線合成； 次氯酸鹽氧化法； 實驗設(shè)計； 染料廢水

0 引 言

高鐵酸鹽是一種氧化能力極強的六價鐵化合物，其氧化還原電位高于常見的氧化劑臭氧、高錳酸鹽和次氯酸鹽，可以同時滿足殺菌消毒、氧化有機物及混凝助凝等多種需要，被認為是綠色環(huán)保的新型污水處理劑，在水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。但是，由于高鐵酸鹽提取率低和貯存時間短等原因使得高鐵酸鹽難于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，加之高鐵酸鹽制備成本較高，且高鐵酸鹽不穩(wěn)定，在水溶液或潮濕環(huán)境中極易分解，使其推廣應(yīng)用受到限制[4-6]。在線制備省略了鹽析、離心、抽濾、洗滌干燥等純化操作，能避免提純再溶解這一重復(fù)工作造成的藥劑和能量的浪費，也克服了高鐵酸鹽難于貯存的缺點，使高鐵酸鹽的實際應(yīng)用成為可能[7]。高鐵酸鹽的制備方法主要有熔融法、次氯酸鹽氧化法、電解法等[8-9]，其中制備方法簡單、易于實現(xiàn)，是實驗室常用的方法[10]。本文介紹高鐵酸鹽在線制備方法，并將這一方法引入“特種廢水處理”的實驗教學(xué)中，用于染料廢水處理，使實驗教學(xué)與科研有機結(jié)合，增強學(xué)生實驗設(shè)計、分析及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[11-12]。

1 高鐵酸鹽的制備原理

實驗采用濕法氧化法在線制備高鐵酸鹽，濕法氧化法又稱次氯酸鹽氧化法，其制備方法為先將三價鐵鹽溶于濃堿中制備氫氧化鐵，然后用次氯酸鹽將氫氧化鐵氧化制得高鐵酸鹽[13]，其反應(yīng)化學(xué)方程式為[14]：

Fe3++3NaOH=Fe(OH)3+3Na+

Fe(OH)3+3NaClO+4NaOH=

2Na2FeO4+3NaCl+5H2O

Fe3++3NaClO+10NaOH=

2Na2FeO4+3NaCl+6Na++5H2O

儀器及試劑 ：

(1) 試劑。次氯酸鈉(10%)、硝酸鐵(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、鹽酸、亞甲基藍(分析純)。

(2) 儀器。恒溫磁力加熱攪拌器(85-2型)、分析天平(TG328B型)、臺式低速大容量離心機(L550)、可見分光光度計(722E型)、恒溫振蕩器(SH2-82)、六連攪拌器。

2 實驗步驟

(1)亞甲基藍標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。配制亞甲基藍標(biāo)準(zhǔn)溶液(濃度為50 mg/L)，分別移取1、2、3、4、5、6 mL于50 mL比色管中，用蒸餾水定容到刻度線后混勻。用可見分光光度計(722E型)，在664 nm波長處測定吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，典型結(jié)果見圖1。

圖1 亞甲基藍標(biāo)準(zhǔn)曲線

(2)高鐵酸鹽的制備。將25.0 mL有效氯大于10%的NaClO溶液置于250 mL的干燥錐形瓶中，再加入5.0 g氫氧化鈉，于磁力攪拌器上不斷攪拌，直至固體氫氧化鈉充分溶解，冷卻到室溫后，緩慢少量多次地加入10 g硝酸鐵，繼續(xù)攪拌10 min，得紫色稠液，即為高鐵酸鹽混合溶液，冰箱中冷藏備用。

(3)pH對亞甲基藍廢水處理效果的影響。取5份300 mL濃度為50 mg/L的亞甲基藍標(biāo)準(zhǔn)溶液于500 mL燒瓶中，分別用氫氧化鈉和鹽酸溶液調(diào)節(jié)水樣初始pH分別為2、4、6、8、10，將1 mL高鐵酸鹽混合液投加于調(diào)節(jié)好的水樣中，水樣置于恒溫振蕩器(SHZ-82型)中，以180 r/min轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)溫度至20 ℃，振蕩30 min后取樣，測定水樣中剩余亞甲基藍濃度，計算亞甲基藍去除率。繪制不同pH值與亞甲基藍去除率關(guān)系曲線，分析pH值對亞甲基藍去除效果的影響，求出最佳pH。

(4)停留時間對亞甲基藍廢水處理效果的影響。取1份300 mL濃度為50 mg/L的亞甲基藍標(biāo)準(zhǔn)溶液于500 mL燒瓶中，分別用氫氧化鈉和鹽酸溶液調(diào)節(jié)最佳pH，將1 mL高鐵酸鹽混合液的投加于調(diào)節(jié)好的水樣中，水樣置于恒溫振蕩器(SHZ-82型)中，以180 r/min轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)溫度至20 ℃，分別在10、20、30、40、50、60 min時取樣，測定水樣中剩余亞甲基藍濃度，計算亞甲基藍去除率。繪制停留時間與亞甲基藍去除率關(guān)系曲線，分析停留時間對亞甲基藍去除效果的影響，求出最佳停留時間。

(5)高鐵酸鹽投加量對亞甲基藍廢水處理效果的影響。取5份300 mL濃度為50 mg/L的亞甲基藍標(biāo)準(zhǔn)溶液于500 mL燒瓶中，將溶液pH調(diào)到最佳pH值，分別投加0.4、0.6、0.8、1.2、1.4 mL高鐵酸鹽混合溶液于水樣中，水樣置于恒溫振蕩器(SHZ-82型)中，以180 r/min轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)溫度至20 ℃，停留時間選用步驟(4)所得停留時間，取下水樣測定水樣中亞甲基藍濃度，計算亞甲基藍去除率。繪制高鐵酸鹽投加量與亞甲基藍去除率關(guān)系曲線，獲得最佳高鐵酸鹽投加量。

3 實驗結(jié)果與分析

(1)pH對亞甲基藍廢水處理效果的影響。從圖2可見，pH對亞甲基藍去除率有顯著影響，當(dāng)pH>4時，亞甲基藍去除率在40%左右，隨著酸性的增強，亞甲基藍去除率明顯增加；當(dāng)pH=3時，亞甲基藍的去除率達到80%；當(dāng)pH<3，亞甲基藍的去除率略有增加，但增加并不明顯。因此，高鐵酸鹽在處理亞甲基藍廢水的最佳pH為2～3。該結(jié)論和俞超等[15]的高鐵酸鹽處理活性染料和分散染料的結(jié)果不同，可見，染料性質(zhì)不同，高鐵酸鹽處理染料廢水的最佳pH范圍不同。

圖2 pH對亞甲基藍處理效果的影響

(4)停留時間對亞甲基藍廢水處理效果的影響。調(diào)節(jié)廢水pH值為2，研究高鐵酸鹽與亞甲基藍廢水的反應(yīng)時間與亞甲基藍去除率的關(guān)系，實驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，亞甲基藍的去除率隨著停留時間的延長而增加，在停留時間10～30 min，亞甲基藍去除率增加速度較快，在30 min時，亞甲基藍去除率達到87%，此后，亞甲基藍去除率隨著停留時間的變化略有上升，但上升并不明顯，考慮經(jīng)濟、技術(shù)條件，認為30 min為最佳的停留時間。

圖3 停留時間對亞甲基藍處理效果的影響

(5)高鐵酸鹽投加量對亞甲基藍廢水處理效果的影響。調(diào)節(jié)廢水pH為2，高鐵酸鹽與亞甲基藍反應(yīng)時間30 min，改變高鐵酸鹽的投加量，研究高鐵酸鹽投加量與亞甲基藍去除率的關(guān)系，典型實驗結(jié)果見圖4。由圖4可見，亞甲基藍去除率隨著高鐵酸鹽投加量的增加而增加，當(dāng)高鐵酸鹽投加量為1 mL時，亞甲基藍去除率為87%，此后隨著高鐵酸鹽投加量的增加，亞甲基藍去除率上升并不明顯，因此，認為投加量為1 mL為最佳投加量，此時高鐵酸鹽與亞甲基藍總量的關(guān)系為1 mL∶15 g。

圖4 高鐵酸鹽投加量對亞甲基藍處理效果的影響

4 結(jié) 語

本實驗是青島農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)大三下學(xué)期特種廢水處理技術(shù)課程實驗題目之一，實驗學(xué)時為4 h。高鐵酸鹽在污水處理中還停留在實驗階段，該技術(shù)在實際工程中應(yīng)用除了優(yōu)化提取和保存方法外，更主要的是工程設(shè)計和運營技術(shù)人員的認識和大膽創(chuàng)新。引入本實驗作為本科生實驗題目之一，通過實驗，使學(xué)生掌握如何通過實驗設(shè)計獲得所需的設(shè)計參數(shù)，學(xué)會思考問題，加強對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)；同時也和同學(xué)科研能力掛鉤，使學(xué)生掌握如何將科研成果應(yīng)用于實際工程分析和設(shè)計過程中，訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

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Experiment Design for the On-line Preparation and Application of Ferrate

ZHANGJiao，XINYan-jun,CHAIChao

(Qingdao Engineering Research Center for Rural Environment, College of Resource and Environment, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

In order to strengthen the cultivation of the students' abilities on experimental design, analysis and innovation, an experiment for the course of special wastewater treatment is design. The experiment realizes on-line preparation of ferrate and applies it to wastewater treatment by Methylene blue. The effects by different pH, the residence times and ferrate dosages are studied, and the optimum operating parameters are obtained. The experimental results show that the optimum operating parameters are pH 2-3, the residence time 10-30 min, and the ferrate: Methylene blue=1 mL∶15 g. The decolorization rate of Methylene blue wastewater is 87% at the optimum operating condition. The experiment has some innovation, operability and practicability. The practice has proved that this experiment has an important effect on training students' creative thinking and improving students' ability of analyzing and solving problems.

ferrate; on-line preparation; the hypochlorite oxidation method；experimental design; dye wastewater

2015-11-23

國家自然科學(xué)基金項目(41301552)；青島農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才科研基金項目(11103071007)；青島農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色名校建設(shè)工程課程建設(shè)項目(XDSJP2013037)

張 嬌(1973-)，女，遼寧沈陽人，副教授，主要從事污染物遷移及控制技術(shù)研究。

Tel.: 13455282207；E-mail: zhangjiao11@163.com

G 642.3

A

1006-7167(2016)08-0014-03