綠色氧化劑高鐵酸鉀在水處理中的應用研究進展

賀素姣

（河南化工職業學院，河南 鄭州 450042）

綠色氧化劑高鐵酸鉀在水處理中的應用研究進展

賀素姣

（河南化工職業學院，河南 鄭州 450042）

高鐵酸鉀在水溶液中具有強氧化能力, 其還原產物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環境無二次污染、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注，高鐵酸鉀被譽為綠色氧化劑。

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]。其優越的氧化性能及獨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，與水處理領域現有消毒劑相比氧化能力最強，它能快速殺滅水中的細菌和病毒。另外，與氯消毒劑相比，不會生成三氯甲烷、氯酚等有害人體健康的消毒副產物[2]，自身的還原產物Fe3+或Fe(OH)3為傳統的無機絮凝劑。總之，高鐵酸鉀在處理水的過程中，不會引入任何有毒有害物質的，從而保證水質的安全性，且游離出來的Fe3+、Fe2+對人體有補血之功效。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。

對于廢水的處理，高鐵酸鉀能理想地進行微生物消毒，部分地降解或氧化水中有機物和無機物雜質，且除去膠狀/懸浮的微粒物質和重金屬。在所有實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的。

1 高鐵酸鉀在水和廢水處理中的應用

高鐵酸鉀處理水是一個集氧化、絮凝、吸附和殺菌消毒等協同作用與連續發生的過程。作為一種綠色的水處理劑，高鐵酸鉀適應社會的發展要求。一些學者以高鐵酸鉀作為處理藥劑，研究了高鐵酸鉀對水污染物的處理效能。一般地，對于水和廢水的處理來說，高鐵酸鉀有以下幾個方面的應用。

1.1 高鐵酸鉀氧化有機/無機雜質

高鐵酸鉀是一種強氧化劑。在酸性條件下（pH<2），FeO42-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用的藥劑，高鐵酸鉀是最強的一個。許多研究已經表明高鐵酸鉀能有效去除多種有機污染物，如酒精、羧基化合物、氨基酸、苯酚及其衍生物、1，2- 二醇、有機氮化合物、脂肪硫、亞硝胺化合物、頑固的有機物、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；且在減少有機物濃度時，過量的高鐵酸鹽對上述污染物的處理是很有效的。研究表明，pH＜8時，用高鐵酸鹽氧化4種有機物苯、氯苯、丙烯和苯酚，最大去除率分別是18%~47%，23%~47%，85%~100%和32%~55%。當高鐵酸鹽與有機雜質的摩爾比在3∶1~15∶1的范圍之內，達到高鐵酸鹽的最大氧化效率[4]。美國環境保護機構列出了129種在自來水中發現的優先去除的污染物，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的對象。試驗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，對副產物CBP的形成已經給予了許多關注[6]。當使用傳統的氯和未加工的水含有痕量的自然/合成的有機物，CBP形成是不可避免的。然而，如果使用高鐵酸鹽，微生物和CBP形成的先驅將被除去，值得關注。

對幾種無機污染物的氧化研究結果如下：氰化物，氨和硫化氫，當pH值的范圍8~12，溫度為15~300℃時，高鐵酸鹽可以有效地降解氰化物。當高鐵酸鹽與氨的摩爾比大于1時，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，能有效地降低許多金屬離子(如 Fe2+，Fe3+，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，水體富營養化問題逐漸制約著人們生活水平的提高，高鐵酸鉀對水中的藻類也有很好的殺滅作用。當水體中含藻量較高、藻種多為難以去除的藍綠藻時，高鐵投加量大于0.8mol·L-1時，高鐵酸鉀預氧化對藻類的去除明顯優于高錳酸鉀和氯，而且從二次污染角度考慮，用高鐵酸鉀氧化后，自身分解產生氫氧根離子和氧，對水質無副作用，這也優于傳統氯化工藝[8]。高鐵酸鉀除藻是其強氧化性和新生氫氧化鐵共同作用的結果，作用過程大致為：高鐵酸鉀氧化能夠破壞藻細胞的表面結構，造成藻細胞表面鞘套的卷繞，并可能使細胞的外鞘開裂，致使胞內物質外流。高鐵酸鉀分解后產生的氫氧化鐵膠體也可以被吸附在一些藻類細胞表面，在降低細胞表面電荷的同時也增加了這些細胞的沉淀性[9]。用鐵的含量少于10mg·L-1的高鐵酸鉀氧化城市二級污水中的有機物，其中含有有機碳（TOC）12mg·L-1和生物化學需氧量（BOD）12.8mg·L-1，大約除去35%的TOC和95%的BOD。以上的結果不包括過濾。當考慮高鐵酸鹽的絮凝能力時，預期能除去更多的BOD和TOC。

1.3 高鐵酸鉀殺菌消毒

對于飲用水處理，氯化是一種最普遍的消毒技術。由于副產物CBP的發現和它們對健康潛在的消極影響，已經考慮用溴、碘、二氧化氯和臭氧代替氯。然而，它們產生其它的副產物，且認為這些副產物是有毒的，在一定程度上對人體和水棲生物有毒。K2FeO4用于水處理時與含氯消毒劑相比不會產生氯代烷烴、氯酚等副產物，被認為可替代氯作為水的有效消毒劑。1974年，Murmann與Robinson首次發現高鐵酸鉀具有明顯的殺菌作用[10]，它可以殺死實驗室培養的兩種細菌（無重組細胞的假單胞菌和重組細胞的假單胞菌）。當FeO42-離子的濃度范圍是0~50×10-6時，細菌被完全破壞。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)。當接觸時間為7min，pH值等于8.2，鐵的濃度是6mg·L-1時, 殺死大腸桿菌的百分率是99.9%。為了達到相同的效果，當鐵的濃度減少到2.4mg·L-1那么接觸時間應該延長到18min。該結果也表明，如果水的pH值低于8.0時，FeO42-離子的消毒能力明顯增加。高鐵酸鉀在城市二級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%的可生細菌。

T. Schink, T. D. Waite 發現高鐵酸鉀在低濃度下就能快速殺死f2 病毒[12]。日本學者加藤研究總結出了高鐵酸鉀對大腸桿菌和一般細菌的殺菌能力[13]。覃長森等人在37℃,加高鐵酸鉀到水樣中至濃度為5.0~6.0mg·L-1時,其消毒殺菌效率為99.95%~99.99%[14]。而且，結果顯示K2FeO4比氯和溴更有效，且在處理過的水中沒有發現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)會轉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,采用高鐵酸鹽預氧化與聚合鋁絮凝聯用的方法更為有效,且對水中酚類有機物及水中的硫化物具有明顯的氧化去除效[16]。水中有機物質和微生物的氧化中，高鐵酸鹽離子將被還原為Fe3+離子或Fe(OH)3，同時在該過程中產生一個絮凝劑。比較K2FeO4、FeSO4·H2O、Fe(NO3)3除去水中渾濁度的性能，結果表明用K2FeO4處理過的水中剩余的渾濁比用FeSO4，Fe(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%。對于二級廢水的處理，當高鐵酸鹽的濃度是15mg·L-1時，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到同樣的絮凝性能（例如對于渾濁的去除），與FeCl3和Al2(SO4)3相比產生污泥少。

1.5 關于誘導有機體突變物質

當一種新的化學藥品用于水的處理時，處理后的水中是否含有誘導有機體突變物質是很重要的。這也是公眾關注的健康問題。據悉大約90%的大家所知的致癌物質通過使用艾姆斯氏實驗顯示是誘導有機體突變物質，認為誘導有機體突變物質是一個潛在的致癌物質[17]。艾姆斯氏實驗用高鐵酸鹽處理水，初步的研究證明其結果是否定的[18]，認為高鐵酸鹽試劑對于使用的研究條件不能產生誘導有機體突變物質的副產物。然而，需要進行系統的研究證明在高鐵酸鉀處理不同類型的水時，沒有誘導有機突變物質的產生。

2 小結

隨著社會的發展，人類對水的需求量逐漸增加，水污染亦日益嚴重，成為世界各國關注的環境問題。高鐵酸鉀作為一種非氯新型高效的水處理劑，適應了水處理技術新的要求，它不僅能快速殺滅水中的細菌和病毒，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污染物、重金屬離子和脫色除臭。高鐵酸鹽在水處理的應用中，同時有兩個明顯的作用即化學消毒和絮凝，故它作為一個具有雙重作用的水和廢水的處理劑得到人們的重視。但還是存在一些實際問題有待解決: （1）目前還不能實現高鐵酸鉀的工業化生產;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定；（3）需要系統地研究證明高鐵酸鹽處理不同類型的水時有沒有產生有機體突變物質；（4）使用高鐵酸鹽作為飲用水處理的化學試劑需要中試操作，這對于水工業將提供很有用的信息；（5）研究氧化與絮凝反應機理及它們對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