高鐵酸鉀的制備(bei)及其(qi)處理生活污水的實效(xiao)研究

摘要:通過(guo)次氯酸(suan)鹽氧化法(fa)穩(wen)定合成高(gao)純度(du)的(de)高(gao)鐵(tie)酸(suan)鉀(jia)(K2FeO4),并(bing)將其應用于(yu)處理生活污水。試驗結果表明,在優化合成工藝條件下,可以(yi)(yi)得到純度(du)達(da)99%以(yi)(yi)上的(de)高(gao)鐵(tie)酸(suan)鉀(jia)。高(gao)鐵(tie)酸(suan)鉀(jia)對(dui)生活污水中COD、濁(zhuo)度(du)和氨(an)氮等(deng)去除效果明顯。投加一定量的(de)高(gao)鐵(tie)酸(suan)鉀(jia)可以(yi)(yi)使該(gai)水體達(da)到再生水水質的(de)國家標準,實現水資源(yuan)循環利用。

關鍵詞:高鐵酸(suan)鉀;制備;水處理

傳統的(de)水處(chu)(chu)理(li)劑(ji)如聚(ju)合氯化(hua)鋁、氯氣等都(dou)會(hui)對(dui)水體形成二(er)次污染，為彌(mi)補(bu)以上(shang)(shang)不足，近年(nian)來開發出一種(zhong)新(xin)型(xing)、高(gao)(gao)效(xiao)、多功能的(de)水處(chu)(chu)理(li)劑(ji)高(gao)(gao)鐵(tie)(tie)酸(suan)鉀 (K2FeO4)，它集氧化(hua)、消毒、吸(xi)附、絮凝、助凝、殺菌和去污為一體，而且安全性有(you)可靠保證[1-2]。但高(gao)(gao)鐵(tie)(tie)酸(suan)鉀中Fe呈(cheng)正6價，在溶液中穩定性不好，自身熱穩定性差，再(zai)加上(shang)(shang)制備(bei)方法復雜、操作困難，因此(ci)，目前(qian)還未有(you)理(li)想的(de)商品(pin)高(gao)(gao)鐵(tie)(tie)酸(suan)鉀面市[3]。

本文研究了(le)高(gao)(gao)(gao)純度高(gao)(gao)(gao)鐵酸鉀(jia)(jia)的(de)穩定合成條件，對(dui)自制的(de)高(gao)(gao)(gao)鐵酸鉀(jia)(jia)產品進行定性定量的(de)分析，以重慶(qing)大學某處生(sheng)活(huo)(huo)污(wu)(wu)(wu)水(shui)為(wei)研究對(dui)象，實測高(gao)(gao)(gao)鐵酸鉀(jia)(jia)對(dui)水(shui)體中污(wu)(wu)(wu)染(ran)指標COD、濁度和氨氮(dan)的(de)去(qu)除(chu)情況(kuang)，從而提(ti)出(chu)了(le)處理校園生(sheng)活(huo)(huo)污(wu)(wu)(wu)水(shui)的(de)一種新方法。

1 試驗部分

1.1高(gao)鐵酸(suan)鉀的制備(bei)

NaClO溶(rong)液(ye)(ye)(ye)中依次加(jia)入(ru)NaOH、Fe(NO3)·39H2O 和(he)少(shao)量復合穩定(ding)劑，用磁力攪拌器攪拌至(zhi)溶(rong)液(ye)(ye)(ye)呈深紫紅色，再(zai)(zai)加(jia)入(ru)固體NaOH至(zhi)飽和(he)。將(jiang)反應液(ye)(ye)(ye)放料、離(li)心，用真(zhen)空泵抽濾。取濾液(ye)(ye)(ye)，再(zai)(zai)投(tou)加(jia)飽和(he)KOH溶(rong)液(ye)(ye)(ye)，保持(chi)溶(rong)液(ye)(ye)(ye)20℃，并持(chi)續攪拌15min，抽濾。濾渣經后(hou)(hou)處理，包(bao)括重結晶(jing)、有機物洗滌(di)純化(hua)和(he)真(zhen)空干燥(zao)后(hou)(hou)得到(dao)固體高鐵酸鉀產品。

1.2高鐵(tie)酸鉀的定(ding)性定(ding)量分析

將(jiang)上述產(chan)品用(yong)Nicolet IR-550Ⅱ型紅外光譜(pu)儀測試，其圖譜(pu)與(yu)文獻[4]中高鐵酸(suan)鉀(jia)的標準圖譜(pu)基本(ben)一致，證明其為K2FeO4。產(chan)品用(yong)亞鉻酸(suan)鹽氧化還原滴(di)定法測其純度(du)為99.1%。

1.3高鐵酸鉀水處理效果(guo)

取重慶大學某處生活污水(shui)（pH=7.48，COD =136.1mg/L，濁度(du)=16.5NTU，氨(an)氮=33.7mg/L）100mL，加一定量自制的(de)高鐵酸(suan)鉀(jia)，在室(shi)溫下用(yong)六聯定時(shi)攪拌器(qi)進行燒(shao)杯攪拌，首先以300 r/min的(de)轉速快攪1min，然(ran)后以50 r/min的(de)轉速慢攪15min，此時(shi)紫色褪(tun)去。再(zai)靜置沉淀20min后，取20.00mL上層清液水(shui)樣，測(ce)其(qi)COD、濁度(du)和氨(an)氮的(de)濃(nong)度(du)。污染指標的(de)測(ce)試方法分(fen)(fen)別為：COD采(cai)(cai)用(yong)重鉻酸(suan)鉀(jia)法；濁度(du)采(cai)(cai)用(yong)分(fen)(fen)光光度(du)法；氨(an)氮采(cai)(cai)用(yong)納氏試劑比(bi)色法[5]。

2 結果與討論

2.1高鐵酸鉀制備

2.1.1原料用量(liang)的選擇(ze)

Fe(NO3)·39H2O應(ying)適(shi)量(liang)。因(yin)為(wei)過量(liang)的硝(xiao)酸(suan)鐵電離 出多余Fe3+會與產物發生副反應(ying)[6]，從而降(jiang)低高鐵酸(suan)鹽的純度和產率，所(suo)以Fe(NO3)·39H2O不(bu)能過量(liang)。 NaOH應(ying)充分過量(liang)。因(yin)為(wei)高鐵酸(suan)鹽在中(zhong)性溶(rong)液(ye)中(zhong)不(bu)穩(wen)(wen)定，易水解，而在強(qiang)堿(jian)條件下，FeO42-可穩(wen)(wen)定存在，不(bu)易發生水解反應(ying)。所(suo)以NaOH應(ying)充分過量(liang)，從而始終保持溶(rong)液(ye)呈強(qiang)堿(jian)性，避免FeO42-分解。

NaClO應(ying)(ying)適(shi)當過量。由于原料間的反應(ying)(ying)強烈放(fang)熱，而(er)NaClO室(shi)溫就易分解成NaCl和O2，因此Na- ClO應(ying)(ying)過量，從而(er)保證其分解一(yi)部分后仍能完(wan)全(quan)氧(yang)化硝酸(suan)鐵(tie)，避免發生副反應(ying)(ying)。

試驗表明，NaClO實際用量(liang)(liang)(liang)/理論用量(liang)(liang)(liang)小于1.2 （即NaClO過(guo)(guo)(guo)量(liang)(liang)(liang)不超過(guo)(guo)(guo)20%）時，高鐵(tie)酸(suan)鉀產(chan)(chan)率隨(sui) NaClO用量(liang)(liang)(liang)的增(zeng)(zeng)加而增(zeng)(zeng)加。NaClO實際用量(liang)(liang)(liang)/理論用量(liang)(liang)(liang)大于1.（2即NaClO過(guo)(guo)(guo)量(liang)(liang)(liang)超過(guo)(guo)(guo)20%）時，高鐵(tie)酸(suan)鉀產(chan)(chan)率隨(sui)NaClO用量(liang)(liang)(liang)的增(zeng)(zeng)加反而減少。原(yuan)因是NaClO 具有還原(yuan)性(xing)，而產(chan)(chan)物FeO42-具有強(qiang)氧化性(xing)，過(guo)(guo)(guo)量(liang)(liang)(liang)Na- ClO會(hui)與高鐵(tie)酸(suan)鹽反應，導致其產(chan)(chan)率降低。NaClO過(guo)(guo)(guo)量(liang)(liang)(liang)20%時，高鐵(tie)酸(suan)鉀的產(chan)(chan)率最大，因此，本(ben)試驗采用NaClO過(guo)(guo)(guo)量(liang)(liang)(liang)20%。

2.1.2原料投加順序(xu)的選擇

合(he)成高鐵酸(suan)鹽有兩(liang)種(zhong)(zhong)不同的(de)原料(liao)投加(jia)(jia)順序：Na- ClO溶液(ye)(ye)中(zhong)依(yi)次直接加(jia)(jia)入(ru)NaOH、Fe(NO3)3·9H2O，則主要通過一(yi)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)反應合(he)成高鐵酸(suan)鹽（稱為一(yi)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)法(fa)）； NaOH中(zhong)加(jia)(jia)Fe(NO3)·39H2O，充分(fen)反應后放料(liao)、離心、 過濾(lv)，去(qu)濾(lv)液(ye)(ye)、取濾(lv)渣，即得(de)Fe(OH)3，再(zai)加(jia)(jia)NaClO溶液(ye)(ye)，則通過兩(liang)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)反應合(he)成高鐵酸(suan)鹽（稱為二(er)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)法(fa)）。 兩(liang)種(zhong)(zhong)方法(fa)合(he)成的(de)產(chan)物(wu)純(chun)度(du)(du)都在99%以(yi)上，二(er)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu) 法(fa)較(jiao)一(yi)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)法(fa)中(zhong)產(chan)品純(chun)度(du)(du)、產(chan)率(lv)都有所提高。原因是(shi)二(er)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)法(fa)中(zhong)第(di)一(yi)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)生(sheng)成Fe(OH)3后去(qu)掉了濾(lv)液(ye)(ye)，有效避免了其他離子(zi)進(jin)入(ru)第(di)二(er)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)形(xing)成雜質(zhi)引起產(chan)物(wu)純(chun)度(du)(du)和產(chan)率(lv)的(de)降(jiang)低(di)。但二(er)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)法(fa)較(jiao)一(yi)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)法(fa)增加(jia)(jia)了放料(liao)、離心、 過濾(lv)等步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)驟，操(cao)作更(geng)繁瑣，而(er)產(chan)率(lv)、純(chun)度(du)(du)提高不是(shi)太明顯(xian)，因此，本試驗采用(yong)一(yi)步(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)(bu)法(fa)。

2.1.3合成K2FeO4反(fan)應溫度和時間的選(xuan)擇

圖1、圖2分別為(wei)(wei)反(fan)應(ying)溫度(du)(du)、時(shi)(shi)間(jian)(jian)對高(gao)鐵酸(suan)鉀(jia)產率(lv)的影響。從圖1可(ke)知，反(fan)應(ying)溫度(du)(du)控制在15～30℃， 反(fan)應(ying)15min，高(gao)鐵酸(suan)鉀(jia)產率(lv)總(zong)在最大值45.2%左(zuo)右； 從圖2可(ke)知，反(fan)應(ying)時(shi)(shi)間(jian)(jian)控制在10～25min，反(fan)應(ying)溫度(du)(du) 20℃，高(gao)鐵酸(suan)鉀(jia)產率(lv)也在最大值45.2%左(zuo)右。因此合成(cheng)K2FeO4的反(fan)應(ying)溫度(du)(du)、時(shi)(shi)間(jian)(jian)無需嚴格(ge)控制，只要保證其在以(yi)上范圍即可(ke)。原(yuan)因可(ke)能是該反(fan)應(ying)為(wei)(wei)非氧化還原(yuan)反(fan)應(ying)，而(er)且(qie)無明顯(xian)放熱(re)。但從圖1、圖2中(zhong)仍可(ke)以(yi)確定合成(cheng)K2FeO4的最佳(jia)工藝條件為(wei)(wei)15min，20℃。

2.2高鐵酸鉀對COD的去除(chu)

向原水中(zhong)投加不同量的(de)高鐵酸(suan)鉀(jia)進行氧化去除COD，結果如圖3所示。

由圖3可見，隨(sui)著高(gao)(gao)鐵酸鉀(jia)投加(jia)量的(de)增加(jia)，原(yuan)水(shui)中(zhong)COD的(de)去(qu)除(chu)率也逐漸增加(jia)。當高(gao)(gao)鐵酸鉀(jia)的(de)投加(jia)量為10mg/L時(shi)，COD的(de)去(qu)除(chu)率為50%以(yi)(yi)上(shang)；當高(gao)(gao)鐵酸鉀(jia)的(de)投加(jia)量為20mg/L時(shi)，COD的(de)去(qu)除(chu)率達96% 以(yi)(yi)上(shang)。該曲線顯現出(chu)雙(shuang)峰突(tu)躍的(de)形式。這(zhe)種去(qu)除(chu)效果的(de)特征說明，在低投加(jia)量時(shi)主要(yao)依靠(kao)高(gao)(gao)鐵酸鉀(jia)溶于(yu)水(shui)生(sheng)成Fe(OH)3，從而產生(sheng)絮凝(ning)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)去(qu)除(chu)水(shui)中(zhong)污染物，降低水(shui)體的(de)COD，而高(gao)(gao)鐵酸鉀(jia)的(de)氧化作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)居次(ci)要(yao)地位；隨(sui)著投加(jia)量的(de)增加(jia)，高(gao)(gao)鐵酸鉀(jia)的(de)氧化去(qu)除(chu)COD的(de)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)不斷增強，并協同絮凝(ning)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)，最(zui)終使水(shui)樣COD的(de)去(qu)除(chu)率達96%以(yi)(yi)上(shang)。

2.3高鐵酸鉀對濁度(du)的去除

向原水(shui)中投加不同量的高鐵(tie)酸鉀，考察對濁(zhuo)度的去除效果(guo)。結果(guo)如圖4所(suo)示(shi)。

由圖4可見，高鐵酸鉀(jia)的投(tou)加量小于8mg/L 時(shi)，水(shui)樣(yang)濁(zhuo)度隨高鐵酸鉀(jia)的投(tou)加量的增加而減少。這(zhe)表(biao)明高鐵酸鉀(jia)溶于水(shui)生成的Fe(OH)3對(dui)水(shui)中懸(xuan)浮(fu)物具(ju)有(you)良(liang)好的絮凝沉降作用，從而有(you)效降低水(shui)樣(yang)濁(zhuo)度。

高鐵酸鉀的(de)投加(jia)(jia)(jia)量超過8mg/L時(shi)，水(shui)樣濁度(du)隨(sui)高鐵酸鉀投加(jia)(jia)(jia)量的(de)增(zeng)加(jia)(jia)(jia)反(fan)而逐(zhu)步增(zeng)加(jia)(jia)(jia)。這是因為大(da)量的(de)高鐵酸鉀溶于水(shui)生成的(de)Fe(OH)3，其與污(wu)水(shui)中(zhong)懸(xuan)浮物(wu)絮凝(ning)沉(chen)降后，剩余的(de)過量Fe(OH)3會形(xing)成膠體導致水(shui)樣濁度(du)增(zeng)加(jia)(jia)(jia)。

2.4高鐵酸鉀對氨氮的去(qu)除

向原水中投加不(bu)同量(liang)的高(gao)鐵酸鉀，得到高(gao)鐵酸鉀投加量(liang)與氨氮去除率的關系(xi)如圖5所示。

由圖5可見，隨著高(gao)鐵(tie)酸(suan)鉀(jia)投(tou)(tou)加(jia)(jia)量(liang)的(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)，原水中氨氮的(de)(de)去(qu)除率(lv)也(ye)逐漸增(zeng)加(jia)(jia)。當(dang)高(gao)鐵(tie)酸(suan)鉀(jia)的(de)(de)投(tou)(tou)加(jia)(jia)量(liang)為(wei)10mg/L時，氨氮的(de)(de)去(qu)除率(lv)為(wei)70%以上(shang)；繼續投(tou)(tou)加(jia)(jia)高(gao)鐵(tie)酸(suan)鉀(jia)，氨氮的(de)(de)去(qu)除率(lv)增(zeng)加(jia)(jia)不明顯。這表明高(gao)鐵(tie)酸(suan)鉀(jia)對水體中氨氮的(de)(de)去(qu)除是(shi)其溶(rong)于(yu)水產生的(de)(de)氧化作(zuo)用(yong)和(he)絮凝(ning)作(zuo)用(yong)協同作(zuo)用(yong)的(de)(de)結果(guo)，其中氧化作(zuo)用(yong)占(zhan)主(zhu)導(dao)地位。

3 結論

原材料用量、投加順序、反應時間、溫度等都影響 K2FeO4的純度和產率。高鐵酸鉀對生活污水中污染 指標COD、濁度和氨氮能有效去除，從而使其達到再生水的國家標準，實現水資源循環利用。高鐵酸鉀對 生活污水中COD、濁度和氨氮的有效去除是其溶于水產生的氧化作用和絮凝作用協同作用的結果。
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