活性炭負載亞鐵離子去除水中高氯酸鹽的研究

摘 要：近年來，高氯酸鹽的污染問題越來越受到人們的關注。本研究采用浸潤法制備復合材料活性炭負載亞鐵離子GAC-Fe（Ⅱ），考察在不同的反應條件下復合材料GAC-Fe（Ⅱ）對高氯酸鹽的去除效果，包括pH、溫度、高氯酸根初始濃度和共存離子的影響。

關鍵詞：高氯酸鹽；活性炭；亞鐵離子；影響因素

高氯酸鹽是高氯酸形成的鹽類，各化學鍵能量分布比較均勻，含有四面體型的高氯酸根離子ClO4-。高氯酸鹽易溶于水中，不易分解，可以隨水體流動，是一種持久性的污染物質，在環境中的半衰期可長達十年[1-3]。因ClO4-離子的電荷和半徑與I-相似，它可以與I-競爭轉運蛋白，從而抑制人體對I-的攝取吸收，導致甲狀腺激素分泌減少，虛弱甲狀腺功能[4，5]。

高氯酸鹽的污染包括人為污染和自然污染。人為污染主要包括火箭燃料、軍火工業、爆破作用、煙花燃放等領域[6]。自然污染是在自然田間下產生的高氯酸鹽，可通過地殼運動、大氣沉積、氣溶膠等產生。

去除高氯酸鹽的方法很多，按處理原理，分為物理化學處理法和微生物處理法。其中物化法包括活性炭及改性活性炭吸附法、氧化還原法、離子交換法、膜分離法等方法；微生物法是指通過微生物的作用，在厭氧和酶催化條件下，使高氯酸根作為電子受體被還原降解為氯離子的方法[7-9]。

1 實驗材料的制備

1.1 實驗材料與儀器

活性炭（GAC），工業品；高氯酸鈉（NaClO4，質量分數>99%）；七水合硫酸亞鐵（FeSO4·7H2O，質量分數>99%）；氫氧化鈉（NaOH，質量分數>99%）；濃鹽酸（HCl，質量分數>99%）等，所用藥品全部為分析純。

電子天平，pH計，離子色譜儀（ICS-1000），水浴鍋，恒溫振蕩器，電熱恒溫鼓風烘箱，單聯立式萬用電爐。

1.2 復合材料的制備

用大燒杯取適量活性炭用去離子水沖洗干凈后超聲30min，放置電爐中加水煮沸，多次換水煮沸至水干凈無漂浮物，置于110℃烘箱中干燥至恒量備用。

分別稱取5g的GAC放入4、5、6號燒杯中，再稱取6g的Fe SO4·7H2O分別加入到3個燒杯中，放入110℃烘箱中浸潤24h，取出后用去離子水清洗4-5遍，置于烘箱中烘干后保存。

2 實驗部分

2.1 高氯酸根初始濃度的影響

隨著高氯酸根初始濃度的增加，GAC-Fe（Ⅱ）（6g）對高氯酸根的去除率不斷下降。其原因可能是復合材料對高氯酸根的吸附效果存在一個臨界值，當到達最大吸附容量時，對高氯酸根不再吸附，達到飽和狀態，此時復合材料表面的吸附活性位點已完全占據，由去除率公式計算可知，在初始濃度不斷增加時，R在不斷減小，去除率下降。由此可見，當初始濃度過高時，不利于GAC-Fe（Ⅱ）對高氯酸根的去除。

2.2 pH值對高氯酸鹽去除的影響

當溶液為酸性條件下，隨著pH值的升高，材料GAC-Fe（Ⅱ）（6g）對高氯酸根的去除率增加，在pH在6左右時達到最大。當溶液為堿性時，隨著pH值的升高，復合材料對高氯酸根的去除率下降。原因可能是溶液隨著pH的變化，其中的H+含量隨著改變，H+可與高氯酸根和亞鐵離子反應，生產氯離子，當pH值過低時，H+消耗復合材料上大量的亞鐵離子，使亞鐵離子的負載量下降，降低了復合材料的吸附性，反而使去除效果下降。而在堿性條件下，溶液中的OH-與亞鐵離子發生反應，生成沉淀或絡合物堆積在活性炭表面，降低活性炭的吸附能力，使其對ClO4-的去除效果下降。實驗結果表明，在酸性條件下更有利于GAC-Fe（Ⅱ）對高氯酸根的去除。

2.3 溫度對去除高氯酸鹽的影響

隨著溫度的升高，材料GAC-Fe（Ⅱ）（6g）對高氯酸根的吸附去除效果有所提高，與常溫25℃下的去除率相比，當溫度提高到70℃時，去除率增加了7%左右，說明溫度對去除效果有著較大影響。原因是當溫度提高時，分子間的運動加劇，活化能升高，碰撞幾率增大，復合材料表面孔隙率增加，吸附性增強，因而導致去除率升高。

2.4 共存離子對去除高氯酸鹽的影響

Cl-和CO32-對ClO4-的去除有抑制作用，而BrO3-對ClO4-的去除有促進作用。Cl-對高氯酸鹽的去除效果影響不是很大，但是隨著濃度的增加，抑制作用有所增強，所以水中少量的Cl-對高氯酸鹽的去除影響不是很大。BrO3-離子的存在增強了對高氯酸鹽的去除效果，可能因為BrO3-具有較強的氧化性，溴酸鹽和高氯酸鹽都是含氧酸鹽，具有很多化學共性，對去除高氯酸鹽有一定的催化作用。

3 結束語

通過浸潤法制得的復合材料活性炭負載亞鐵離子GAC-Fe（Ⅱ）可以有效地去除水中的高氯酸鹽，并研究不同條件下的去除效果，得出以下結論：

（1）溶液在酸性條件下，隨著pH的增加，去除率增加；在堿性條件下，隨pH的增加，去除率降低。

（2）溫度對去除效果也存在著影響，但不是很明顯。去除效果隨著溫度的提高有小幅提升。

（3）高氯酸鹽的初始濃度對去除率有著明顯影響，隨著初始濃度的增加，去除率不斷降低，去除效果減弱，但吸附容量卻持續增加。

（4）低濃度的Cl-的存在對高氯酸鹽的去除影響不大，但會隨著Cl-濃度的增加對去除高氯酸鹽有著抑制作用。CO32-離子的存在大大降低了高氯酸鹽的去除效果，而BrO3-離子的存在卻對高氯酸鹽的去除有促進作用。

參考文獻

[1]蔡亞岐，史亞利，張萍，等.高氯酸鹽的環境污染問題[J].化學進展，2006，18（11）：1554-1564.

[2]Gullick R W，Lechwvallier M W， Barhorst T S.Occurrence of perchlorate in drinking water sources sources[J].Journal AWWA，2001，93（1）：66-77.

[3]Sorial G A. The perchlorate dilemma in drinking water [J].Journal of Environmental Engineering，2004（1）：1-2.

[4]李琴，孟偉，張金良，等.高氯酸鹽的健康危害研究現狀[J].毒理學雜志，2009，23（3）：250-252.

[5]顧華堅.高氯酸鹽對甲狀腺功能的影響調查[J].中國現代醫生，2012，50（20）：5-7.

[6]Okamoto H S，Rishi D K，steeber W R，et al. Using ion chroma to graphy to detect perchlorate[J].Journal AwwA，2005（10）：73-84.

[7]肖謳，陳兵，楊志泉.改性膨潤土吸附去除水體中高氯酸鹽的離子交換性能研究[J].環境科學學報，2013，33（2）：415-423.

作者簡介：石偉（1990-），男，漢族，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向：市政工程。