浅谈复合型水处理剂高铁酸钾的制备及应用

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1 浅谈复合型水处理剂高铁酸钾的制备及应用

摘要 高铁酸钾是一种集消毒、氧化、氧化絮凝、吸附于一身的多功能绿色水处理药剂。本文介绍了高铁酸钾的性质、制备方法及其有水处理领域的应用,以及其在保障供水安全方面发挥的重要作用。

关键词 高铁酸钾 氧化剂 消毒剂 助凝剂 绿色水处理

1.概述

我国水资源总量为27701×108m3,位居世界第六,但由于人口众多,人均水量只有2300m3左右,居世界第88位,约为世界平均水平的1/4。据统计,全国已有29%的人在饮用不良水,7000万人在饮用高氟水。从地域上来看,西北、华北和沿海地区受水资源匮乏的影响较严重;从缺水点来看,主要是城市缺水现象十分严重。全国333座城市不同程度缺水,110座城市严重缺水。年缺水约1000亿m3,每年影响工业产值约2000亿元。

近几十年来,随着工农业生产的发展,湖泊、水库水的富营养化日趋严重,地表水源普遍受到污染。水污染的加剧严重影响了饮用水的净化,甚至直接导致了水质的下降。目前,我国绝大多数水厂饮用水的处理采用混凝、沉淀、过滤和加氯消毒的常规净水工艺。而采用常规净水工艺处理受污染的水源水,虽能有效去除原水浊度、杀灭水中微生物、防止水介疾病的传染,但也存在一些局限性。大量的生产实践表明,常规净水工艺对水中有害微量污染物的去除能力有限,而水源水中日益增加的有机物和藻类对水处理工艺的影响越来越严重,使采用常规处理工艺的净水厂出厂水质经常不能达标。对含藻量高的原水,常常会产生嗅味问题,且沉淀水中的残余藻类会堵塞滤池,缩短滤池的工作周期增加滤池反冲洗水量;对于受污染原水,还常常存在高氨氮问题,由于氮在水厂处理工艺过程中的转

2 化,极大地消耗了消毒剂氯的用量,常常导致消毒效果不够理想。为了克服原水污染对常规处理工艺净水效果的不利影响,各种旨在改善饮用水水质的净化技术应运而生。其中很重要的一项技术就是在净水之前尽量去除或降低水中微污染物质,即预处理技术。化学预氧化技术就是其中之一。其基本方法就是在原水输送过程中或者原水进入常规处理工艺前投加氧化剂,依靠氧化剂的氧化能力,氧化破坏有机胶体表面的保护膜,提高混凝沉淀效果,降解或破坏水中有机物的结构,达到减少或转化污染有机物的目的,有效降低嗅味,同时杀灭大部分藻类以及部分的细菌,降低藻类和有机物对后续混凝沉淀的干扰,并防止藻类在水厂各类构筑物中如沉淀池和滤池中滋生,还可一定程度上去除水中的无机污染物。现阶段应用的氧化剂有氯(即预氯化)、高锰酸钾、臭氧等,其中应用最多的预氧化剂是氯。但在氯化过程中氯与水中有机物作用生成多种有害卤代物,使用受到限制。采用臭氧预氧化除藻,虽然可取得较好的效果,但投资大,运行管理费用高。

氯预氧化也具有除藻效果,但其相当一部分被转化成对人体有害的副产物亚氯酸根,特别是在预氧化过程中,氨氮的存在明显地降低了氯的消毒效率,大大提高了氯的需求量。而高铁酸钾是一种比高锰酸钾、臭氧、氯和二氧化氯的氧化能力还强的强氧化剂,是一种非离的新型高效饮水消毒剂和水处理剂,它可以去除原水中的有机污染物,尤其是对酚和硫化物有明显的氧化去除效果,还可以安全有效的氧化水中的CN-,对重金属离子也有吸附、沉降作用,还能使水脱色、脱臭。特别是在水质处理中与其它含氯型水年理剂相比,高铁酸钾对微污染水有良好的净化效果,且不会引起二次污染;其分解产物Fe(OH)3还有絮凝净水作用;游离的Fe3+和Fe2+具有补

3 血功能,能冶疗缺铁性贫血等。

2.高铁酸钾的性质

高铁酸根的分子式为:FeO42-,具有空间四面体结构,纯的高铁酸钾为紫黑色晶体,其水溶液呈紫红色。干燥的高铁酸钾在常温下可以在空气中长期稳定存在,198℃以上开始分解。但含水的高铁酸钾热稳定性明显下降,80℃时迅速分解为Fe(OH)3。高铁酸钾在整个PH范围内都具有强氧化性,其氧化还原电位在酸性条件下为2.20V,在碱性条件下为0.70V。在水溶液中,它的4个氧原子等价,且慢慢与水分子中的氧原子进行交换。高铁酸钾溶于水后,Fe6+在水中分解并不直接转化为Fe3+,而是经过+5、+4价的中间氧化态,逐渐还原成Fe3+,而且Fe6+还原成Fe3+过程中产生正价态水解产物,各种中间产物在Fe6+还原成Fe3+过程中产生聚合作用,生成的Fe3+能很快形成Fe(OH)3胶体沉淀。

3.高铁酸钾的制备方法

目前,国内外有关高铁酸钾制备的方法主要有三种:电解法、熔融法、次氯酸盐氧化法。

3.1电解法

电解法制备高铁酸钾是通过电解以铁为阳极的碱性物溶液来实现的.通过隔膜电解30%~50%NaOH溶液,并在阳极液中加入少量特效活化助剂,阳极和阴极分别采用20cm×7cm的低碳钢板和镍板,外加电压约为10V,控制适宜的电解时间的条件,可以获得约5%的高铁酸钾复合药液(不含固态铁化合物)。该法操作简单、原料消耗少、灵活方便,但电耗高、副产品较多,要制备稳定的纯高铁酸盐,不仅需要复杂的提纯过程,而且效率也低。

4 3.2 熔融法

熔融法又称干法,采用过氧化物高温氧化铁的氧化法物制得高铁酸钾。2FeSO4+6Na2O2===2Na2FeO4+2Na2O+2Na2SO4+O2↑。俄罗斯科学家曾提出在氧气流下,温度控制在350℃~370℃,锻烧Fe2O3和K2O2混合物制备K2FeO4晶体。但由于该反应为放热反应,温度升高快,容易引起爆炸,故需严格控制操作条件。该法比较危险且难于实现,目前很少采用。

3.3 次氯酸盐氧化法

次氯酸盐氧化法又称湿法,其反应原理为:在浓的NaOH溶液中,加入FeCl3和NaClO,由于Na2FeO4的溶解度很大,而NaCl,KCl等盐类的溶解度较小,因此,可以先在很浓的NaOH溶液中让ClO-充分氧化Fe3+,生成Na2FeO4,这时体系中的NaCl,KCl等杂质将会析出而被除去,然后再加入KOH而析出K2FeO4。

3.3.1实验步骤及反应原理

(1)制备次氯酸钠溶液

在0℃~5℃的条件下,将氯缓慢通入质量分数为40%~45%的NaOH碱溶液中至溶液PH=10~12,得到有效氯含量为20%~22%的次氯酸钠溶液,化学反应式如下:2NaOH+Cl2=NaClO+NaCl+H2O

(2)除盐

将固体NaOH加入反应釜内次氯酸钠溶液中,在有冰水冷却的条件下搅拌至NaOH全部溶解,用离心机过滤溶液(除去固体NaCl),得到碱性次氯酸钠溶液待用。

(3)氧化

启动搅拌,控制溶液温度在5℃~10℃,(此反应为放热反应,应控制

5 体系温度,以免次氯酸盐分解)一边搅拌一边滴加质量分数为6%的FeCl3溶液。化学反应式为:

2Fe3++3C10+10OH-=2FeO42-+3C1-+5H2O

反应一段时间后取样分析。当反应液中[Fe3+]<0.5mg/ml时即为氧化终点。到达终点后再继续搅拌一小时。取样液50ml在搅动下加2~3滴40% NaOH溶液仔细观察,溶液中不再析出固体NaCl时即为反应终点。继续搅拌2小时以降低溶液温度,将溶液离心分离,滤液备用。

(4)转化

将滤液转移至转化釜中,控制转化温度在20℃~30℃,在快速搅拌下缓缓加入50%的KOH水溶液。取适量样品,边搅拌边滴加50%的KOH水溶液,至不再生成暗紫色K2FeO4沉淀为终点。继续搅拌1小时,边搅拌边加适量清水,维持反应温度在25~30℃之间,继续搅拌3小时。使NaCl、KCl反溶于母液中。

将料液离心分离,所得沉淀用冰水洗涤,若配制3%丙三醇洗液,阻溶效果更好。K2FeO4沉淀在70~75℃下真空干燥,包装即可。

(5)纯度分析

固体产物利用亚铬酸盐氧化还原滴定法分析。在强碱性溶液中,高铁酸盐能将亚铬酸盐氧化为铬酸盐,生成的铬酸盐溶液酸化后得到的重铬酸钾用二价铁离子的标准溶液滴定。以二苯胺磺酸钠为指示剂,终点时,溶液由紫色变为淡绿色。

3.3.1质量标准:

外观: 暗紫色带有光泽结晶体

6 K2FeO4 ≥98.5%

NaCl ≤0.5%

重金属(以Pb计) ≤0.001%

As ≤0.0001%

水不溶物 ≤0.2%

干燥失重(105℃) ≤1.0 %

比较上述三种方法,次氯酸盐氧化法更易实现,工艺较为成熟,虽然有些步骤还不够完善,如存在设备腐蚀严重等问题,但随着新材料日新月异的发展,对这些问题已有了较好的解决办法。因些,次氯酸盐氧化法是今后高铁酸钾制备的主要方向。且目前国内已经有生产厂家通过此法生产出稳定的高铁酸钾成品。

4.高铁酸钾在水处理中的应用

高铁酸钾净化水是一个氧化、絮凝、吸附和杀菌消毒等协同作用与连续发生的过程。作为一种非氯新型高效的水处理剂,高铁酸钾适应了新的发展要求。高铁酸钾的高价正电荷多聚水解产物能有效地降低水中胶体颗粒的∈电位,因而可以发挥絮凝作用,最终形成的氢氧化铁颗粒则可以通过吸附和共沉作用去除水中的重金属及悬浮颗粒。一些学者以高铁酸钾作为处理药剂,研究了高铁酸钾对污染物的处理效能。利用其强氧化功能,灭活水中的细菌和病毒,可选择性氧化去除水中的某些有机污染物质,利用其氧化还原过程中生成的氢氧化铁胶体,可以吸附去除水中有机和无机的污染物。

在生活饮用水方面,高铁酸钾主要用作杀菌、消毒,一般K2FeO4在水中

7 浓度5.0㎎/L~7.0㎎/L时杀菌效率达99.95%~99.99%,同时色度和浊度也明显降低。

此外,在去除水中腐殖质尤其是去除水中酚、H2S、NH3、CH3SH等方面,也有非常好的效果,不但能将其氧化,还可以对它们进行吸附、沉降。这正好适用于水产养殖业。在水产养殖业中,急需一种既无残毒,效果又好的水质净化剂,高铁酸钾在这一领域中具有广阔的应用前景。

高铁酸钾在处理水中微污染物方面效果良好。在PH=7.6时,20.0㎎/L~100.0㎎/L高铁酸盐可使水中Pb(Ⅱ)浓度由4.8㎎/L降至小于0.1㎎/L;50.0㎎/L的高铁酸盐可使 Cd(Ⅱ)4.8㎎/L降至小于0.04㎎/L。高铁酸钾的其他潜在用途还包括用于控制冷凝循环水中生物粘垢的生成等。

4.结束语

研究经济低耗、无二次污染的净化技术对于改善我国饮用水水质具有重要的现实意义。与发达国家相比, 我国饮用水源污染比较严重,分布较广,且水质差别较大,不但有机污染物浓度较高,而且天然有机物和浊度也较高,水质成分复杂。随着现代分析技术和污染毒理学的发展,饮水中消毒副产物含量的标准也越来越严格,氯氧化剂的使用遇到了前所未有的挑战。前人的研究表明,高铁酸钾具有比氯氧化剂更强的氧化性能,在杀菌消毒、预氧化除藻、氧化絮凝去除氨氮方面表现出了理想的效能,并且,高铁酸钾在应用过程中并不产生致癌、致畸、致突变性副产物,具有高度的安全性。因此,高铁酸钾在饮用水处理领域中具有广阔的应用前景,是替代氯氧化剂的理想选择。

参 考 文 献