鐵氧體及其復(fù)合材料對(duì)水體中氨基苯胂酸去除效能的研究

李 錚，雷 鳴

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

隨著近幾年化工行業(yè)的迅速發(fā)展和居民消費(fèi)需求的不斷增長(zhǎng)，農(nóng)藥、洗衣粉的供求量逐漸增加。但是，很多人工合成的物質(zhì)會(huì)隨排放的生產(chǎn)廢水和生活污水流入水體中，形成水體污染，造成生活飲用水的質(zhì)量逐漸惡化。常規(guī)的飲用水處理對(duì)象主要是水體中含有的漂浮物質(zhì)、雜質(zhì)和部分細(xì)菌[1]。

鐵氧體主要是由鐵與其他一種或多種金屬所組成的復(fù)合含氧化合物，它是一種金屬化合物，具有鐵磁性，是一種新型納米材料。根據(jù)晶格類型，鐵氧體可以分為磁鉛石型鐵氧體、尖晶石型鐵氧體等。

在水體中加入凝結(jié)劑來(lái)凝結(jié)水中不能沉淀而分離的漂浮物，再把沉淀后水體中留下的雜質(zhì)過(guò)濾掉，從而增加水體的清潔度，最后通過(guò)消毒消滅掉水中的微生物和細(xì)菌，得到安全的生活用水。鐵氧體具有良好磁性、吸附性、敏感性和催化性等物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。納米材料表面有很多原子，表面積也較大，造成原子飽和度不夠，活性很強(qiáng)并且極不穩(wěn)定，容易與其他原子結(jié)合，吸附能力很強(qiáng)。因此，當(dāng)前有必要做好利用納米材料去除水環(huán)境中污染物的研究。

1 鐵氧體及其復(fù)合材料對(duì)水中氨基苯胂酸去除效能分析

1.1 吸附

20世紀(jì)中期，鐵氧體被發(fā)現(xiàn)，它具有良好的吸附性能，是一種非常有效的磁性材料。與傳統(tǒng)的金屬磁性材料相比，它具有電阻率更大、在高頻時(shí)磁導(dǎo)率更高等優(yōu)點(diǎn)。鐵氧體是一種富含鐵酸鹽的陶瓷性材料，大多由金屬氧化物復(fù)合而成。

作為吸附材料的鐵氧體被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，四大發(fā)明之一指南針就是由Fe3O4材料制成[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，學(xué)者通過(guò)研究鐵氧體的性質(zhì)和組成，開(kāi)發(fā)出鐵氧體復(fù)合材料，其兼具各種材料的特性，被廣泛應(yīng)用，如自動(dòng)控制、儀器儀表、人造衛(wèi)星、航天通信以及環(huán)境污染處理等領(lǐng)域，在工業(yè)上起到重要作用[3]。鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)

氨基苯胂酸是一種白色、無(wú)氣味晶狀粉末物質(zhì)，對(duì)水生生物有極高毒性，可能對(duì)水體環(huán)境產(chǎn)生長(zhǎng)期不良影響。其通過(guò)糞便施肥進(jìn)入土壤，可以被植物吸收；可以在物理、化學(xué)和微生物等因素的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變?yōu)檫w移能力更強(qiáng)、毒性更大的三價(jià)和五價(jià)的無(wú)機(jī)砷化合物，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[4-5]。

1.2 光降解

尖晶石型鐵氧體在經(jīng)過(guò)光照射時(shí)，能夠產(chǎn)生一種光生電子——空穴對(duì)，從而引發(fā)吸附在其表面的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，達(dá)到光催化目的[6-7]。以ZnFe2O2光催化降解羅丹明B（RhB）為例，下面簡(jiǎn)單介紹鐵氧體光降解有機(jī)物的一種機(jī)理。當(dāng)ZnFe2O2被汞燈輻射時(shí)，其價(jià)帶上的電子可以被激發(fā)到導(dǎo)帶上，其間會(huì)持續(xù)產(chǎn)生電子反應(yīng)，生成化合物，最終實(shí)現(xiàn)光降解[8-9]。

2 試驗(yàn)

為了更好地驗(yàn)證鐵氧體及其復(fù)合材料對(duì)去除水體中氨基苯胂酸的效果，筆者同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析。主要試驗(yàn)原料有氧化鈣、氧化錫、硝酸鈉、二氧化鐵、硝酸鐵、氧化鎂、氫氧化鈉。

本研究使用的試驗(yàn)設(shè)備較多，包括Precisa XT220A電子秤、微型磁力高壓反應(yīng)釜、科偉202-00型烘箱、QM-3spz行星式球磨、769YP-24B型粉末壓片機(jī)和SX3-4-13A型智能纖維電阻爐。Precisa XT220A電子秤為瑞士生產(chǎn)，用來(lái)稱量各種試驗(yàn)原料，精度可達(dá)到0.001 g，較為先進(jìn)。反應(yīng)釜為WCGF微型磁力高壓反應(yīng)釜，由我國(guó)安太康生物科技有限公司生產(chǎn)。烘箱型號(hào)為科偉202-00型，它是一種電熱恒溫干燥箱。QM-3spz行星式球磨機(jī)的球磨罐以尼龍為主材料，球磨珠的主要材料則是ZrO。769YP-24B型粉末壓片機(jī)由天津市科儀高新科技有限公司生產(chǎn)。燒結(jié)設(shè)備型號(hào)為SX3-4-13A型智能纖維電阻爐。

2.1 傳統(tǒng)去除方法

2.1.1 混凝

首先進(jìn)行混凝技術(shù)加工，加入的試劑和水混合均勻后，利用機(jī)械快速劇烈攪拌，目的是讓試劑快速并均勻地分散在水里，直到絮凝出大顆粒物質(zhì)為止[10]。

2.1.2 沉淀

上一階段形成的絮狀大顆粒體由于自身重力會(huì)沉淀在水底，當(dāng)水流入沉淀池時(shí)，截面孔隙會(huì)將不同的污染物分離出來(lái)，使其逐漸向沉淀池的出口區(qū)流出。水中的泥垢逐漸積累并收縮，定期排出池外。

2.1.3 過(guò)濾

通過(guò)吸附作用將水中的石英砂及懸浮在水中的顆粒狀雜質(zhì)過(guò)濾掉，去除水中小部分的細(xì)菌、病毒、細(xì)小的雜質(zhì)和有機(jī)物等，達(dá)到水體澄清的效果[11]。

2.2 鐵氧體及其復(fù)合材料去除方法

首先分析鐵氧體及其復(fù)合材料的投加量對(duì)水體中沉淀物的影響，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 投加量對(duì)水體中沉淀物的影響結(jié)果

從表2沉淀物的顏色變化和磁性強(qiáng)度變化可以看出，鐵氧體及其復(fù)合物的投加量越多，沉淀物的顏色越深，磁性越強(qiáng)，更加利于對(duì)水體中污染物的去除。

以對(duì)硝基苯胺為原料，經(jīng)重氮化、胂化（置換）和還原而得。將對(duì)硝基苯胺281.8 g、工業(yè)鹽酸352.8 g加入反應(yīng)器中，于室溫下攪拌，使其充分成鹽。冷卻至0℃后滴加30%亞硝酸鈉水溶液，控制溫度不超過(guò)10℃，以淀粉-KI試紙檢查重氮化反應(yīng)終點(diǎn)。將323 g AsO3和30%的硝酸鈉溶液在反應(yīng)器中升溫?cái)嚢瑁蛊渫耆芙?，并沸騰0.5 h。冷卻至10℃，加入幾滴CuSO4溶液，然后在攪拌下緩緩加入重氮鹽溶液，反應(yīng)生成硝基苯胂酸溶液，控制溫度不超過(guò)30℃。在硝基苯胂酸溶液中加入硫酸溶液，使pH達(dá)到3.4，加入328.1 g還原鐵粉和140 g食鹽，加熱至微回流（110℃）反應(yīng)2 h。反應(yīng)結(jié)束（稍冷）后加入200 g 30%的NaOH溶液，放置5 h后過(guò)濾。濾液用工業(yè)稀硫酸調(diào)節(jié)pH至4.5，加活性炭于80～90℃下脫色（20 min）、過(guò)濾。濾液用硫酸調(diào)節(jié)pH至2.8～3.2，冷卻至10℃，過(guò)濾、洗滌得粗品。將粗品及少量抗氧化劑和8倍量的去離子水加熱溶解，加入少量醫(yī)用活性炭回流脫色，過(guò)濾后的濾液冷卻至5℃，晶體干燥后得成品。

圖1 兩種方法對(duì)氨基苯胂酸的去除效果

如圖1所示，加入鐵氧體及其復(fù)合材料對(duì)水體中氨基苯胂酸的去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的方法。鐵氧體及其復(fù)合材料應(yīng)該有效地用于去除水體污染物，其安全指數(shù)達(dá)到98%，可以為人類生活提供安全保障。

3 結(jié)語(yǔ)

鐵氧體及其復(fù)合材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和良好的吸附效果，在去除水環(huán)境污染物氨基苯胂酸方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。在水污染處理方面，鐵氧體及其復(fù)合材料將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，而其對(duì)環(huán)境與健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)還有待評(píng)價(jià)研究。因此，筆者希望更多的研究人員能關(guān)注鐵氧體及其復(fù)合材料潛在的問(wèn)題，分析其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響。