綠色水處理劑高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展

闞乙森,蔣 暉

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)城市水務(wù)與環(huán)境監(jiān)測(cè)及控制實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

據(jù)《2018年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》：全國(guó)1 613個(gè)地表水考核斷面中，Ⅳ類(lèi)及以上的地表水占比之和超過(guò)了25%，且地表水中相關(guān)的化學(xué)需氧量、總磷、氨氮等的指標(biāo)都不容樂(lè)觀，很多地區(qū)的飲用水水源水質(zhì)在大幅度降低。由于工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，排放的廢水中還出現(xiàn)了一些新型、難降解的污染物，如抗生素、內(nèi)分泌干擾物和農(nóng)藥等，采用常規(guī)的廢水處理方法對(duì)其進(jìn)行處理，一方面其水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)，另一方面水中還會(huì)產(chǎn)生一些具有致癌、致畸作用的有毒副產(chǎn)物。而高鐵酸鹽是一種強(qiáng)氧化劑，在酸性條件下其氧化還原電位要高于常用的氧化劑(如Cl、ClO、O、KMnO等)的氧化還原電位，具有較高的氧化性，能同時(shí)氧化水中多種污染物，并消除其中的懸浮物和膠體顆粒，具有見(jiàn)效快、無(wú)殘留毒性和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，可用來(lái)消毒殺菌、除藻、去除有機(jī)/無(wú)機(jī)化合物等。高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用研究經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的發(fā)展，積累了大量的研究文獻(xiàn)，本文基于高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，分析了其發(fā)展階段，并借助VOSviewer知識(shí)圖譜分析工具對(duì)高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中應(yīng)用的研究?jī)?nèi)容及熱點(diǎn)進(jìn)行分析，另外著重對(duì)高鐵酸鹽分別作為氧化劑、消毒劑和混凝劑在水處理方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，以為推動(dòng)高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中的全面應(yīng)用提供參考。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 研究文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量及增長(zhǎng)趨勢(shì)分析

本文通過(guò)搜索中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)、Web of Science(WOS)數(shù)據(jù)庫(kù)，并借助Origin統(tǒng)計(jì)分析工具，對(duì)1975—2019年CNKI和WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于高鐵酸鹽水在處理領(lǐng)域中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量的年增長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 1975—2019年高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中應(yīng)用研究 文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量的年增長(zhǎng)趨勢(shì)圖Fig.1 Annual growth trend of the number of publications of ferrate in the field of water treatment during 1975-2019

由圖1可知，發(fā)表在WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)主要經(jīng)歷了起步階段和快速增加階段，其中2007年以前為起步階段，2008—2019年為快速增長(zhǎng)階段，總體文獻(xiàn)數(shù)量皆呈上升趨勢(shì)；發(fā)表在CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)研究文獻(xiàn)發(fā)表的研究文獻(xiàn)主要經(jīng)歷了起步階段、快速發(fā)展階段和相對(duì)穩(wěn)定階段，其中1995年以前屬于起步階段，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究很少，1996—2011年屬于快速發(fā)展階段，發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量明顯增多，受到了更多科研工作者的關(guān)注，2012—2019年屬于相對(duì)穩(wěn)定階段，相比快速發(fā)展階段，文獻(xiàn)數(shù)量有所減少，主要原因?yàn)楦哞F酸鹽在水處理領(lǐng)域的研究水平有所提升，大部分成果均發(fā)表至更高級(jí)別的數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜分析

從WOS和CNKI核心數(shù)據(jù)庫(kù)中下載的研究文獻(xiàn)數(shù)量分別為487篇和551篇，本文借助VOSviewer知識(shí)圖譜軟件繪制了高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜，見(jiàn)圖2和圖3。圖中各節(jié)點(diǎn)的大小代表這一關(guān)鍵詞在整個(gè)領(lǐng)域的熱度強(qiáng)弱，各節(jié)點(diǎn)不同的顏色代表著各關(guān)鍵詞出現(xiàn)的不同年份。其中WOS和CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞總數(shù)分別為2 181個(gè)和1 871個(gè)，本文設(shè)置統(tǒng)計(jì)頻次≥5，WOS和CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中達(dá)到該統(tǒng)計(jì)頻次的關(guān)鍵詞數(shù)量分別為182個(gè)和131個(gè)，說(shuō)明國(guó)際上高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容略微多于國(guó)內(nèi)研究。CNKI和WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域研究文獻(xiàn)排名前20位的關(guān)鍵詞如表1所示。

圖2 基于CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)的高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域 研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.2 Co-occurrence map of research keywords in publications of ferrate in water treatment based on CNKI database

圖3 基于WOS數(shù)據(jù)庫(kù)的高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域研究 文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.3 Co-occurrence map of research keywords in publications of ferrate in the field of water treatment based on WOS database

由圖2、圖3和表1可知：國(guó)內(nèi)高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域共現(xiàn)較強(qiáng)的關(guān)鍵詞為水處理劑、制備、穩(wěn)定性、氧化等，在該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)主要集中在高鐵酸鹽的特性研究、制備高鐵酸鹽水處理劑和高鐵酸鹽作為水處理劑在廢水處理中的應(yīng)用等；國(guó)際上高鐵錳鹽在該領(lǐng)域共現(xiàn)較強(qiáng)的關(guān)鍵詞為waste-water treatment、drinking-water、reaction kinetics、mechanism、pharmaceutical、coagulation。在該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)主要集中在高鐵酸鹽在廢水處理和飲用水處理中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)機(jī)制研究等。

表1 CNKI和WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域研究文獻(xiàn)排名前20位的關(guān)鍵詞

通過(guò)對(duì)圖2中的節(jié)點(diǎn)顏色和表1中CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)強(qiáng)度和平均出現(xiàn)年份進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)國(guó)內(nèi)期刊上的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞主要包括預(yù)氧化、消毒副產(chǎn)物、強(qiáng)化混凝等，說(shuō)明國(guó)內(nèi)把高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域的研究重心由廢水處理逐漸轉(zhuǎn)移到飲用水處理。在飲用水處理中，常用消毒劑(氯、氯胺等)的消毒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的消毒副產(chǎn)物，而高鐵酸鹽作為預(yù)氧化劑不僅可以強(qiáng)化混凝效果，還可以氧化去除有機(jī)/無(wú)機(jī)污染物，進(jìn)而有效控制消毒副產(chǎn)物的生成，降低生物毒性。另外，從圖1和圖2中的時(shí)間軸對(duì)比分析可以看出，國(guó)內(nèi)對(duì)高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域應(yīng)用的研究時(shí)間整體上要早于國(guó)際研究。

通過(guò)對(duì)圖3中各節(jié)點(diǎn)顏色和表1中WOS數(shù)據(jù)庫(kù)研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)強(qiáng)度和平均出現(xiàn)年份進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)近幾年來(lái)國(guó)外期刊的新興熱點(diǎn)關(guān)鍵詞主要包括endocrine disruptors、antibiotics、personal care products、natural organic-matter、disinfection by-products、preoxidation和ozonation，說(shuō)明國(guó)際上研究較多的是高鐵酸鹽對(duì)一些新興污染物的控制，如抗生素、內(nèi)分泌干擾物、個(gè)人護(hù)理用品和消毒副產(chǎn)物等。

2 高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

氧化、混凝和消毒是水處理工藝中重要的過(guò)程。其中，氧化過(guò)程主要是去除水中的有機(jī)物/無(wú)機(jī)污染物；混凝過(guò)程主要是吸附水中懸浮顆粒和膠體，降低濁度；消毒過(guò)程主要消除對(duì)人體有害的微生物，如細(xì)菌和病毒，是水處理工藝中的最后一道工序。大量研究表明，高鐵酸鹽在水處理中能同時(shí)兼顧氧化劑、消毒劑和混凝劑的角色。

2.1 氧化劑

2.1.1 去除有機(jī)/無(wú)機(jī)污染物

高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中的早期應(yīng)用是利用其強(qiáng)氧化性來(lái)解決有機(jī)污染問(wèn)題。大量研究表明，高鐵酸鹽能夠去除廣泛的有機(jī)/無(wú)機(jī)污染物，比如乙醇、羧酸化合物、含氮有機(jī)物、亞硝胺、色氨酸、苯酚化合物和抗生素等有機(jī)物以及氰化物、氨、硫酸氰等無(wú)機(jī)物。例如：乙醇是一種有毒化合物，在水中反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)需氧量，Carpenter采用高鐵酸鹽對(duì)乙醇進(jìn)行了有效去除；Poduska等研究表明，高鐵酸鹽氧化法是一種去除工業(yè)廢水中羧酸類(lèi)化合物的可行方法；另有研究發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽可以去除胺酸、苯酚和1,2-二醇；水體中含氮有機(jī)物和磷超標(biāo)是引起藻華現(xiàn)象的主要原因，已有研究表明，高鐵酸鹽對(duì)含氮無(wú)機(jī)化合物(氨、羥胺、肼和疊氮化物)和有機(jī)化合物(胺、氨基酸、苯胺)均有良好的去除效果；制藥工業(yè)廢水中常含有各類(lèi)抗生素，這些物質(zhì)會(huì)對(duì)水體微生物和人體健康造成威脅，而高鐵酸鹽可以氧化去除β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素，說(shuō)明高鐵酸鹽可以用于制藥工業(yè)廢水的處理；還有研究表明，高鐵酸鹽可以去除亞硝胺、磺酰胺、色氨酸、苯酚化合物等水體污染物。

高鐵酸鹽驅(qū)動(dòng)的氧化是通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，即1e[Fe(Ⅵ)→Fe(Ⅴ)→Fe(Ⅳ)→Fe(Ⅲ)]或2e[Fe(Ⅵ)→Fe(Ⅳ)→Fe(Ⅱ)+ Fe(Ⅵ)/ Fe(Ⅳ)→Fe(Ⅲ)]，且對(duì)不同污染物的氧化機(jī)制不同。高鐵酸鹽對(duì)無(wú)機(jī)化合物的氧化通常是單電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，如氰化物和硫化物等，但亞硫酸根和亞硝酸根是兩個(gè)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制；高鐵酸鹽氧化有機(jī)化合物時(shí)，一個(gè)或兩個(gè)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制都存在，如氧化抗壞血酸是單電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，而氧化蛋氨酸時(shí)則是兩個(gè)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制?？梢?jiàn)，污染物的種類(lèi)不同，其所含的官能團(tuán)也不同，高鐵酸鹽反應(yīng)的方式及電子轉(zhuǎn)移機(jī)制也有所不同。

高鐵酸鹽對(duì)不同污染物的氧化能力是不同的，且氧化能力的大小主要受高鐵酸鹽用量和pH值的影響，高劑量的高鐵酸鹽更有利于提高其對(duì)污染物的氧化去除效率，但是每種反應(yīng)的最佳pH值是由反應(yīng)物的類(lèi)型所決定的。已有研究表明，在pH值<8時(shí)，高鐵酸鹽對(duì)苯、氯苯和苯酚的去除率分別為32%、35%和43%，且當(dāng)高鐵酸鹽與上述物質(zhì)的摩爾比為3∶1～15∶1時(shí)，其對(duì)有機(jī)化合物的去除效果可達(dá)最優(yōu)；Feng等在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高鐵酸鹽與抗生素的摩爾比≤20時(shí)，其可在2 min內(nèi)對(duì)恩諾沙星(ENR)、諾氟沙星(NOR)、氧氟沙星(OFL)和馬波沙星(MAR)等抗生素進(jìn)行降解，且水中多價(jià)陽(yáng)離子對(duì)氟尿嘧啶(FLU)的降解有抑制作用；有研究表明，在高鐵酸鹽pH值為8～12、溫度為15℃～30℃的條件下，其對(duì)氰化物的去除效率能達(dá)到最大，當(dāng)高鐵酸鹽與氨的摩爾比大于1時(shí)，其對(duì)氨的去除效率可達(dá)22%，同時(shí)可去除廢水中99%的硫化氰。高鐵酸鹽對(duì)不同污染物的氧化能力及影響因素具體見(jiàn)表2。

2.1.2 去除藻類(lèi)

使用常用的化學(xué)氧化劑(高錳酸鉀、臭氧、氯和二氧化氯)去除水體中的藻類(lèi)有一定的局限性，特別是使用氯或二氧化氯除藻時(shí)很容易產(chǎn)生三鹵甲烷消毒副產(chǎn)物。許多研究表明，高鐵酸鹽可用于處理富含藻類(lèi)的水體。Ma等的研究發(fā)現(xiàn)，在處理藻類(lèi)水體時(shí)，高鐵酸鹽相比高錳酸鉀在氧化速率、殘留濁度和負(fù)面影響方面更具優(yōu)勢(shì)，因此高鐵酸鉀氧化處理可以作為原水藻類(lèi)爆發(fā)的應(yīng)急控制措施；費(fèi)霞麗對(duì)高鐵酸鹽絮凝除藻性能進(jìn)行了檢測(cè)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可有效地強(qiáng)化絮凝過(guò)程，沉淀懸浮物的性能良好，在聯(lián)合應(yīng)用情況下可大幅度降低絮凝劑用量，與此同時(shí)還可以有效地去除溶液中的UV254、葉綠素a和氨氮；高鐵(Ⅵ)酸鉀可以作為雙功能化學(xué)試劑(即氧化劑和凝結(jié)劑)，主要通過(guò)破壞細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和氧化絮凝作用來(lái)達(dá)到除藻的效果，且吸附在藻類(lèi)細(xì)胞表面的納米鐵氧化物能增加藻類(lèi)細(xì)胞密度， 提高混凝效果。此外， 影響高鐵酸鹽除藻效率的因素主要有高鐵酸鹽投加量和pH值。高鐵酸鹽在高投加量和酸性條件下，對(duì)藻類(lèi)的去除率有明顯提高，且可以降低污水的水濁度，說(shuō)明高鐵酸鹽可以有效地抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)，增強(qiáng)水體絮凝效果，增加水體凈化能力。

表2 高鐵酸鹽對(duì)不同污染物的氧化能力及影響因素

2.1.3 去除異味

在污水處理中，微生物在厭氧條件下會(huì)產(chǎn)生硫化氫、硫醇和氨等惡臭化合物，其中硫化氫是最有害的一種物質(zhì)，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不利的影響。常用的氧化劑(過(guò)氧化氫、次氯酸鹽、氯和高錳酸鉀等)去除硫化氫的反應(yīng)速率相比高鐵酸鹽較慢。Talaiekhozani等的研究發(fā)現(xiàn)，增加高鐵酸鹽的濃度可以大大地促進(jìn)硫化氫的去除，其中高鐵酸鹽與硫化氫的摩爾比為關(guān)鍵影響因素，當(dāng)其摩爾比為3時(shí)，硫化氫的去除率為95%，當(dāng)該摩爾比上升為4時(shí)，硫化氫的去除率可達(dá)99%；Talaiekhozani等的研究發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽氧化硫化氫的效率隨著接觸時(shí)間的增加而提高，在接觸氧化60min后，95%的硫化氫被氧化，且當(dāng)pH≥2時(shí)，硫化氫的去除率逐漸降低，當(dāng)pH<2時(shí)，硫化氫的去除率達(dá)到最高。

2.2 消毒劑

高鐵酸鹽已經(jīng)被很好地證明了其可以去除水體中的微生物、病毒和噬菌體。高鐵酸鹽作為消毒劑可通過(guò)兩種方式進(jìn)行消毒殺菌：①高鐵酸鹽可通過(guò)其強(qiáng)氧化性來(lái)破壞細(xì)菌和病毒細(xì)胞結(jié)構(gòu)、原生質(zhì)、DNA和其他微生物重要的器官，起到殺死菌體的作用；②高鐵(Ⅵ)酸鹽可被還原成鐵(Ⅲ)，鐵(Ⅲ)是一種強(qiáng)凝結(jié)劑，可將包括微生物在內(nèi)的膠體顆粒凝結(jié)并從水中去除。

Murmann等和Talaiekhozani等對(duì)高鐵酸鹽作為消毒劑進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性研究，結(jié)果表明高鐵酸鹽在0～50 ppm的濃度范圍內(nèi)可以殺死水體中所有的微生物；還有研究表明，高鐵酸鹽的殺菌效率取決于高鐵酸鹽的濃度大小，在pH值為8.2、高鐵酸鹽的濃度為6 mg/L時(shí)，其可在6 min內(nèi)去除99%的大腸桿菌，當(dāng)高鐵酸鹽的濃度為2.5 mg/L時(shí)，需要18 min才能去除99%的大腸桿菌，說(shuō)明高濃度的高鐵酸鹽有利于加快對(duì)大腸桿菌的去除速率；汪小雄的研究也發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽作為消毒劑因其強(qiáng)氧化作用能夠破壞細(xì)菌的結(jié)構(gòu)，可以使大腸桿菌、總大腸菌群、枯草芽孢桿菌等快速滅活。此外，F(xiàn)e(Ⅵ)還能滅活多種病毒，如MS2噬菌體、鼠諾如病毒和F2病毒等。Mattie等在高鐵酸鹽對(duì)去除F2病毒的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高鐵酸鹽的濃度為1 mg/L、pH值為7.8時(shí)，能去除99%的F2病毒，且當(dāng)高鐵酸鹽的濃度升高至10 mg/L時(shí)，F(xiàn)2病毒的去除率可達(dá)99.9%，說(shuō)明高鐵酸鹽對(duì)F2病毒具有較高的滅活效果，且高劑量的高鐵酸鹽有助于提高對(duì)病毒的滅活效率。

另外，高鐵酸鹽對(duì)消毒副產(chǎn)物的生成量具有良好的控制效果。梁好等的研究發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽預(yù)氧化去除TOC的效果比氯預(yù)氧化去除TOC的效果好，且產(chǎn)生的THMs量也相對(duì)較少，證明高鐵酸鹽可以作為一種新型預(yù)氧化劑；Jiang等的研究發(fā)現(xiàn)，采用高鐵酸鹽處理原水時(shí)，可將三鹵甲烷(THMs)、三鹵乙酸(TAA)、二鹵乙酸(DAA)、二鹵乙腈(DHANs)和鹵酮(HKs)的消毒副產(chǎn)物生成勢(shì)分別降低約30%、40%、10%、30%和5%。高鐵酸鹽對(duì)消毒副產(chǎn)物的控制機(jī)制通常是通過(guò)對(duì)其前體物氧化來(lái)達(dá)到去除目的(見(jiàn)表3)，高鐵酸鹽憑借其強(qiáng)氧化性將氨基酸、酚類(lèi)和苯胺等有機(jī)分子氧化成對(duì)氯具有耐受性的酸或鹽，降低了有機(jī)物含量和消毒副產(chǎn)物的形成電位，從而減少了消毒副產(chǎn)物的生成量。但高鐵酸鹽對(duì)消毒副產(chǎn)物生成量的控制效果主要受高鐵酸鹽投加量和pH值的影響。Li等采用高鐵酸鹽(Ⅵ)作為預(yù)氧化劑時(shí)，水樣中三鹵甲烷[三氯甲烷(TCM)、二氯溴甲烷(DCBM)、二溴氯甲烷(DBCM)和三溴甲烷(TBM)]的含量隨著高鐵酸鹽(Ⅵ)濃度的增加而降低，這些三鹵甲烷的濃度大小為T(mén)CM>DCBM≈DBCM>TBM；另有報(bào)道也證明，高劑量的高鐵酸鹽對(duì)消毒副產(chǎn)物二氯乙腈、三氯乙腈和四氯對(duì)苯醌的控制效果更好。Yang等在研究中發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽在堿性條件下更有利于對(duì)水合氯醛(CH)、鹵乙腈(HANs)和三氯硝基甲烷(TCNM)等消毒副產(chǎn)物生成量的控制;但丁春生等在研究中發(fā)現(xiàn)，pH值為6.5時(shí)高鐵酸鹽對(duì)二氯乙腈(DCAN)的去除效果最佳，且升溫能在一定程度上加快高鐵酸鹽與DCAN的氧化還原反應(yīng)。可見(jiàn)，反應(yīng)的pH最佳值取決于消毒副產(chǎn)物的類(lèi)型。

表3 高鐵酸鹽對(duì)消毒副產(chǎn)物的控制機(jī)理

2.3 混凝劑

高鐵酸鹽處理飲用水的另一個(gè)主要機(jī)制是混凝。高鐵酸鹽還原生成的鐵(Ⅲ)是一種強(qiáng)凝結(jié)劑，因此高鐵酸鹽在反應(yīng)過(guò)程中也會(huì)發(fā)生混凝和絮凝作用，可以吸附水體中的懸浮顆粒，降低濁度。在濁度消除過(guò)程中，高鐵酸鉀產(chǎn)生的污泥量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用硫酸亞鐵、硝酸鐵、氯化鐵和硫酸鋁產(chǎn)生的污泥量。高鐵鹽作為混凝劑，具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①降低沉降處理的運(yùn)行費(fèi)用；②對(duì)膠體顆粒的去除可以在1 min內(nèi)完成，相比鐵鹽和亞鐵鹽縮短了30 min。高鐵酸鹽對(duì)膠體顆粒的去除效率也取決于緩沖液的種類(lèi)，如使用磷酸鹽和碳酸鹽為緩沖劑，對(duì)濁度的去除效率從84%提高到95.79%。此外，高鐵酸鹽的濃度也是影響污染物去除率的重要因素，對(duì)于廢水的二次處理，當(dāng)高鐵酸鹽的濃度增加到15 mg/L時(shí),就可以有效去除濁度、化學(xué)需氧量(COD)和懸浮顆粒，且COD的去除率可達(dá)80%。Jiang等的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。

另外，高鐵酸鹽還可以用于去除水體中重金屬。Prucek等的研究發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽可通過(guò)增強(qiáng)磁性氧化物中的金屬包埋效率來(lái)達(dá)到去除水中重金屬的效果，與普通的含鐵凝結(jié)劑相比，高鐵酸鹽所需要的Fe含量要少得多，并且可以形成亞鐵磁性物質(zhì)，從而防止金屬離子滲回到環(huán)境中；Lan等在高鐵酸鹽去除水中砷和銻的研究中發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽具有同時(shí)吸附砷和銻的協(xié)同能力，可以解決砷和銻復(fù)合污染的問(wèn)題，且隨著與高鐵酸鹽的接觸時(shí)間延長(zhǎng)，銻的去除效率增加，并且不會(huì)將銻浸出而回到水溶液中。高鐵酸鹽去除水體中重金屬離子主要是依靠高鐵酸鹽在反應(yīng)中表現(xiàn)出的高效的混凝和吸附特性，在Fe(Ⅵ)還原過(guò)程中，重金屬離子與納米鐵粒子會(huì)產(chǎn)生表面絡(luò)合的電中和作用，強(qiáng)化了高鐵酸鹽在反應(yīng)中的凝聚和吸附特性，并將重金屬離子以沉淀的形式從水中去除。高鐵酸鹽的投加量和pH值(堿性條件)是影響重金屬去除效率的重要影響因素(見(jiàn)表4)。Prucek等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH值從5升到10時(shí)，對(duì)Cd(Ⅱ)的去除率逐漸升高，且當(dāng)pH值為10時(shí)，Cd(Ⅱ)可以完全去除；Pachuau等的研究發(fā)現(xiàn)，在較高的pH值下，分解的重金屬會(huì)出現(xiàn)明顯的凝結(jié)現(xiàn)象，在pH=12時(shí)，對(duì)重金屬的去除率可達(dá)90%以上，且高鐵酸鹽投加量與砷的去除率成正比?？梢?jiàn)，高鐵酸鹽作為混凝劑不僅可以用來(lái)去除水中的膠體顆粒，也可用于去除水中的重金屬。

表4 高鐵酸鹽去除重金屬效率的主要影響因素及處理效果

3 結(jié)論與展望

本文運(yùn)用知識(shí)圖譜分析工具VOSviewer對(duì)高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中應(yīng)用的現(xiàn)有研究文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，采用定性文獻(xiàn)綜述的方法對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理和總結(jié)，得到如下結(jié)論：

(1) 國(guó)內(nèi)高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：1995年以前屬于第一個(gè)階段，該研究文獻(xiàn)較少；1996—2011年是第二階段，該階段屬于快速發(fā)展階段，年發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量顯著增加；2012—2019年是相對(duì)穩(wěn)定的第三階段。結(jié)合WOS數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)看，高鐵酸鹽在給排水領(lǐng)域中的應(yīng)用具有較高的研究?jī)r(jià)值，未來(lái)幾年與之相關(guān)的研究文獻(xiàn)數(shù)量將呈上升趨勢(shì)。

(2) 高鐵酸鹽在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，作為氧化劑時(shí)，可利用其強(qiáng)氧化性去除水體中的大部分有機(jī)/無(wú)機(jī)污染物和藻類(lèi)；作為消毒劑時(shí)，能快速滅活微生物、病毒和噬菌體，并對(duì)消毒副產(chǎn)物的生成勢(shì)具有良好的控制效果；作為混凝劑時(shí)，能強(qiáng)化混凝效果，吸附水體中的懸浮顆粒，降低濁度?，F(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)主要集中在高鐵酸鹽對(duì)飲用水消毒副產(chǎn)物的控制研究和一些新興的污染物控制研究方面，研究方法主要是通過(guò)分析高鐵酸鹽與污染物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，探索其反應(yīng)機(jī)理。

然而，高鐵酸鹽在工程實(shí)際中的應(yīng)用較少，主要原因有兩點(diǎn)：①高鐵酸鹽穩(wěn)定性差、成本較高、產(chǎn)量相對(duì)較低；②高鐵酸鹽在某些工藝中單獨(dú)使用具有一定的局限性，比如高鐵酸鹽不具有持續(xù)性消毒作用，在對(duì)飲用水消毒處理之后，如何控制管道中微生物的生長(zhǎng)就成為一個(gè)難題。因此，后續(xù)可以從以下兩個(gè)方面開(kāi)展研究：

(1) 高鐵酸鹽的穩(wěn)定性取決于它的生產(chǎn)加工方法，所以應(yīng)推進(jìn)高鐵酸鹽制備新方法的研究，以提高其穩(wěn)定性和產(chǎn)量。在現(xiàn)有的高鐵酸鹽制備方法中，電解法是最具潛力的綠色方法，但是該方法目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，并未投入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，因此研發(fā)電解法高效制備高鐵酸鹽的設(shè)備是推動(dòng)高鐵酸鹽產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新研究方向。

(2) 每一種水處理技術(shù)都有優(yōu)勢(shì)與不足，各種技術(shù)的聯(lián)用不僅能夠相互彌補(bǔ)各種方法的不足，而且還可以提高對(duì)污染物的去除效率，減少水處理劑的用量，降低水處理工藝的成本。因此，高鐵酸鹽與其他水處理劑聯(lián)用是促進(jìn)高鐵酸鹽應(yīng)用的新研究方向。