賀素姣

（河南化工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042）

綠色氧化劑高鐵酸鉀在水處理中的應(yīng)用研究進展

賀素姣

（河南化工職業(yè)學(xué)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(chǎn)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(huán)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(guān)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(yōu)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(lǐng)域現(xiàn)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(chǎn)物[2]，自身的還原產(chǎn)物Fe3+或Fe(OH)3為傳統(tǒng)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(zhì)的，從而保證水質(zhì)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(zhì)，且除去膠狀/懸浮的微粒物質(zhì)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(yīng)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(xié)同作用與連續(xù)發(fā)生的過程。作為一種綠色的水處理劑，高鐵酸鉀適應(yīng)社會的發(fā)展要求。一些學(xué)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(yīng)用。

1.1 高鐵酸鉀氧化有機/無機雜質(zhì)

高鐵酸鉀是一種強氧化劑。在酸性條件下（pH<2），F(xiàn)eO42-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(yīng)用的藥劑，高鐵酸鉀是最強的一個。許多研究已經(jīng)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(guān)；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(dāng)高鐵酸鹽與有機雜質(zhì)的摩爾比在3∶1~15∶1的范圍之內(nèi)，達到高鐵酸鹽的最大氧化效率[4]。美國環(huán)境保護機構(gòu)列出了129種在自來水中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)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(chǎn)物CBP的形成已經(jīng)給予了許多關(guān)注[6]。當(dāng)使用傳統(tǒng)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(qū)將被除去，值得關(guān)注。

對幾種無機污染物的氧化研究結(jié)果如下：氰化物，氨和硫化氫，當(dāng)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(dāng)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(nèi)，能有效地降低許多金屬離子(如 Fe2+，F(xiàn)e3+，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(yǎng)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(dāng)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(yù)氧化對藻類的去除明顯優(yōu)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(chǎn)生氫氧根離子和氧，對水質(zhì)無副作用，這也優(yōu)于傳統(tǒng)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(jié)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(jié)構(gòu)，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(nèi)物質(zhì)外流。高鐵酸鉀分解后產(chǎn)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(xué)需氧量（BOD）12.8mg·L-1，大約除去35%的TOC和95%的BOD。以上的結(jié)果不包括過濾。當(dāng)考慮高鐵酸鹽的絮凝能力時，預(yù)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(shù)。由于副產(chǎn)物CBP的發(fā)現(xiàn)和它們對健康潛在的消極影響，已經(jīng)考慮用溴、碘、二氧化氯和臭氧代替氯。然而，它們產(chǎn)生其它的副產(chǎn)物，且認(rèn)為這些副產(chǎn)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(chǎn)生氯代烷烴、氯酚等副產(chǎn)物，被認(rèn)為可替代氯作為水的有效消毒劑。1974年，Murmann與Robinson首次發(fā)現(xiàn)高鐵酸鉀具有明顯的殺菌作用[10]，它可以殺死實驗室培養(yǎng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)鐵的濃度減少到2.4mg·L-1那么接觸時間應(yīng)該延長到18min。該結(jié)果也表明，如果水的pH值低于8.0時，F(xiàn)eO42-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(fā)現(xiàn)高鐵酸鉀在低濃度下就能快速殺死f2 病毒[12]。日本學(xué)者加藤研究總結(jié)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(jié)果顯示K2FeO4比氯和溴更有效，且在處理過的水中沒有發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)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(yù)氧化與聚合鋁絮凝聯(lián)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(zhì)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(chǎn)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(jié)果表明用K2FeO4處理過的水中剩余的渾濁比用FeSO4，F(xiàn)e(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(dāng)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(dāng)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(chǎn)生污泥少。

1.5 關(guān)于誘導(dǎo)有機體突變物質(zhì)

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

2 小結(jié)

隨著社會的發(fā)展，人類對水的需求量逐漸增加，水污染亦日益嚴(yán)重，成為世界各國關(guān)注的環(huán)境問題。高鐵酸鉀作為一種非氯新型高效的水處理劑，適應(yīng)了水處理技術(shù)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(yīng)用中，同時有兩個明顯的作用即化學(xué)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(xiàn)高鐵酸鉀的工業(yè)化生產(chǎn);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(wěn)定；（3）需要系統(tǒng)地研究證明高鐵酸鹽處理不同類型的水時有沒有產(chǎn)生有機體突變物質(zhì)；（4）使用高鐵酸鹽作為飲用水處理的化學(xué)試劑需要中試操作，這對于水工業(yè)將提供很有用的信息；（5）研究氧化與絮凝反應(yīng)機理及它們對pH值和高鐵酸鹽濃度的要求。

[1] Virender K S, Wayne R, Jeremy O S, BrandonO B.Ferrate(VI)oxidation of aqueous cyanide[J]. Environ Sci Technol., 1998, 32：2608-2613.

[2] 馬榮華，春濤.高鐵酸鉀的制備及在水處理中的應(yīng)用[J].水處理技術(shù)，2003，29（3）：53-56.

[3] 冉亮，等.高鐵酸鉀的研究現(xiàn)狀[J]. 安徽化工，2007，（1）：20-23.

[4] Jia-Qian Jiang, Barry Lloyd. Progress in the development and use of ferrate(Ⅵ) salt as an oxidant and coagulant for water and wastewater treatment[J].J.Water Research, 2002, 36:1397-1408.

[5] Deluca S J，ChaoA C，Smallwood C.Removal oforganicpriority pollutants by oxidation-coagulation[J]．J.Environ Eng ASCE，1983，109：36-46．

[6] Rook JJ. Haloforms in drinking water[J]. J. Am Water Works Assoc, 1976；68：68-75.

[7] 苑寶玲，曲久輝，張金松，葛旭，梁明，田寶珍.高鐵酸鉀對兩種水源中藻類的去除效果[J].環(huán)境科學(xué)，2001，22（2）：78-81.

[8] 楊世雷，石玉光.高鐵酸鉀水處理劑的制備及應(yīng)用[J].江蘇冶金．2002，30（7）：28-30．

[9] Murmann RK,Robinson PR. Experiments utilizing FeO42-for purifying water[J]. Water Res., 1974，（8）：543-547.

[10] Waite TD. Feasibility of wastewater treatment with ferrate[J]J. Environ Eng-ASCE，1979，（105）：1023-1034.

[11] T.Schink,T.D.Waite.Inactivation of f2 virus with ferrate(Ⅵ)[J].Water Res.,1980，（14）：1705-1717.

[12] 加藤健司.高鐵酸鉀的殺菌研究[J].水處理技術(shù)(日)，1983，24（12）：929-993.

[13] 覃長森，劉玉蓮.非氯型消毒劑高鐵酸鉀的合成[J].精細化工，1997，14 （5）：1-2.

[14] 王凱娟，代麗萍，郗園林，張梅喜.高鐵酸鉀消毒實驗觀察[J].中國公共衛(wèi)生，2003，19（9）：1084-1085.

[15] 姜洪泉,金世洲,王鵬.多功能水處理劑高鐵酸鉀的制備與應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2001，21（2）：2-6.

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