基本介紹
- 中文名：高鐵酸鹽
- 類型：綠色淨水劑
- 領域：化學
- 有效成分：高鐵酸根
簡介,製備,高溫熔融反應法,次氯酸鹽氧化法,電解法,性質,分子結構,氧化性,溶解性,穩定性,套用領域,在污水處理中的套用,用於除藻,用於有機污染物的去除,用於重金屬離子的去除,用於濁度的去除,滅菌作用,
簡介
高鐵酸鹽是一種綠色淨水劑，其有效成部分是高鐵酸根[（FeO4）2-] 。這裡，鐵呈+6價，具有很強的氧化性，能通過氧化作用進行消毒。同時，反應過後的還原產物是氫氧化鐵[Fe(OH)3]，在溶液中呈膠體，能夠將水中的懸浮物聚集形成沉澱。高鐵酸鹽同時具有氯氣和明礬[KAl(SO4)2 . 12H2O]的淨水效果，是一種新型的淨水劑。
高鐵酸根
高鐵酸根製備
製法：Fe(OH)3或Fe2O3與一些氧化劑（如KNO3、O2)在鹼性條件（如NaOH)下反應，生成。
以鈉鹽為例：3NaClO3+10NaOH+2Fe（NO3）3=2Na2FeO4+3NaCl+6NaNO3+5H2O
高溫熔融反應法
高溫熔融反應法是在苛性鹼存在的條件下，KNO3或過氧化物等氧化劑在高溫下可將鐵鹽或鐵的氧化物氧化成高鐵酸鹽。
高溫熔融法的特點：產品可較大量生產，但純度低，需經一系列後續提純處理；是最早發現高鐵酸鹽的方法，但由於反應溫度過高且有苛性鹼的存在或生成，因而會使反應容器腐蝕嚴重，同時具有一定的危險性。
次氯酸鹽氧化法
次氯酸鹽氧化法是在強鹼條件下將Fe3+氧化成Fe6+，高鐵酸鹽在水中不穩定，所以必須馬上過濾、脫水、乾燥，以得到固態的高鐵酸鹽產物。
次氯酸鹽氧化法的特點：該工藝看起來比較簡單，而實際上該工藝操作程式繁瑣，需控制在較低溫度下緩慢反應；一般需提純、過濾若干次且收率較低。
電解法
電解法製備高鐵酸鹽採用的工藝是：以高濃度的KOH溶液為電解液，電解鐵陽極使其氧化生成K2FeO4.
電解法的特點：電解產品的雜質含量少；電流效率低，累計的高鐵酸鹽的濃度低，而其稀溶液現在尚無適宜的方法進行濃縮處理。所以該法也不能滿足規模化生產的要求。
性質
分子結構
高鐵酸鹽，Fe位於中心，其他的氧原子分別位於四個角上，呈現出一種略不規則的正四面體結構。高鐵酸鹽中最重要的化合物是高鐵酸鉀，固態是黑紫色粉末，熔點198℃。高鐵酸鹽在乾燥條件下，230℃開始分解。
氧化性
鐵離子的氧化性十分強，最高價態為+6價，可以氧化大多數的有機物，切有選擇性，相對於高錳酸鉀和其他氧化物，氧化性都更強。它的標準電極電位在鹼性條件下為0.72V，酸性條件下為2.20V。可通過調節高鐵酸鹽的結構、pH值、陽離子來調控氧化活性，進而實現高選擇性。高鐵酸鹽在鹼性溶液，弱鹼性、中性和微酸性溶液及酸性溶液中的反應方程式分別如式（1.1），（1.2）和（1.3）所示。
FeO42-+4H2O+3e-=Fe(OH)3+5H2O (1.1) FeO42-+4H++3e-=Fe(OH)3+OH- (1.2) FeO42-+8H++3e-=Fe3++4H2O
Fe（III）具有絮凝、吸附作用，是Fe（VI）的還原產物，並且對身體是無害的。因為這種特性使得高鐵酸鹽較之其他常規的水處理氧化劑具有明顯的優勢，成為綠色環保的氧化劑的首選。
溶解性
高鐵酸鹽的水溶性極好，但是在非水溶劑中其溶解度卻十分低，對有機溶劑廣泛不溶。高鐵酸鉀在飽和的鹼性溶液中溶解度雖然低，但是穩定性很好，容易通過鹼性氧化法製得和實現固液分離，是最常合成的高鐵酸鹽化合物。高鐵酸鉀一般不溶於有機溶劑。
高鐵酸根在苛性鈉溶液中的溶解度大於苛性鉀溶液。可用氫氧化鉀將高鐵酸鹽從苛性鈉溶液中沉澱出來，製備高鐵酸鹽固體。
穩定性
室溫下，高鐵酸鉀晶體，十分穩定。在水中，高鐵酸根中的氧原子會與水中的氧原子進行交換，反應速度較為緩慢，同時釋放出氧氣，發生自分解，溶於水後，高鐵酸根與水分子結合發生質子化，三種質子化形態在整個pH範圍記憶體在，各質子化形態之間的轉化方程式如（1.4），（1.5）和（1.6）所示。
H3FeO4=H+H2FeO4 PH1=1.6±0.2 (1.4) ++
H2FeO4+=H++HFeO4- PH2=3.5 (1.5) HFeO4-=H++FeO42- PH3=7.2±0.1 (1.6)
高鐵酸鉀穩定性的決定性因素是水的酸鹼度。在酸性條件下，H2FeO4 ,HFeO4-比較活潑，較易分解。鹼性條件下，Fe（VI）主要以FeO42- 形式存在。因此，在其他條件都不變的情況下，高鐵酸鹽在鹼性溶液中的穩定性高於在中性和酸性溶液中的穩定性。Lee 等人[9]研究發現，高鐵酸鉀在pH=9.4~9.7 的範圍內解速度最低。
套用領域
高鐵酸鹽（鈉、鉀）是六價鐵鹽，具有很強的氧化性，溶於水中能釋放大量的原子氧，從而非常有效地殺滅水中的病菌和病毒。與此同時，自身被還原成新生態的Fe（OH）3，這是一種品質優良的無機絮凝劑，能高效地除去水中的微細懸浮物。實驗證明，由於其強烈的氧化和絮凝共同作用，高鐵酸鹽的消毒和除污效果，全面優於含氯消毒劑和高錳酸鹽。更為重要的是它在整個對水的消毒和淨化過程中，不產生任何對人體有害的物質。高鐵酸鹽被科學家們公認為綠色消毒劑。
高鐵酸鹽除了具有優異的氧化漂白、高效絮凝、優良的殺菌作用以外，它還迅速有效地去除淤泥中的臭味物質。高鐵酸鹽除臭主要是氧化掉諸如硫化氫(H2S)、甲硫醇(CH3SH)、甲基硫(CH3)2S)、氨氣(NH3)等惡臭物質，將其轉化為安全無味的物質。由於高鐵酸鹽在整個PH值範圍都具有極強的氧化性，因而對於淤泥除臭處理是較為理想的方法。
高鐵酸鹽中較重要的是高鐵酸鈉Na2FeO4，其中鐵元素顯+6價。
在污水處理中的套用
用於除藻
近年來，水體污染日益嚴重，造成水源水中藻類含量日益升高。水體中大量的藻類會給飲用水處理帶來許多問題，影響飲用水的生產及安全。氧化預處理是去除水中藻類較為普遍採用的方法，但預氯化過程中氯與原水中較高濃度的有機物作用會生成一系列對人體有害的鹵代有機物；而採用臭氧預氧化除藻存在投資大、運行費用高的問題。近年來國內學者對高鐵酸鹽預氧化除藻技術進行了大量的研究，形成了較為成熟的理論。
用於有機污染物的去除
水中的有機污染物會對人體產生危害，同時還會對膠體產生嚴重的保護作用，不但增加了膠體表面電荷，也造成空間位阻效應，是影響混凝效果的主要因素。而高鐵酸鹽由於其所具有的多功能淨水效能，可有效去除水中的有機污染物，並且不會造成二次污染，有較好的套用前景。
用於重金屬離子的去除
重金屬是對人體危害較大的一類污染物，它們易在生物體內積累，毒性隨形態而異，常規的混凝工藝對大多數重金屬離子的去除效果不佳。而高鐵酸鹽預氧化技術能夠顯著增強混凝劑的混凝效果，強化對重金屬離子的去除效果。大量實驗表明，高鐵酸鹽預氧化對水中Pb、Cd、Mn、Fe 等多種金屬離子有明顯的去除效果。在pH=7.6 的條件下，20~100mg/L 的高鐵酸鹽可將水中4.4mg/L 的Pb(Ⅱ)降至小於0.1mg/L；50mg/L高鐵酸鹽可使水中2.4mg/L 的Hg (Ⅱ) 降至0.02mg/L，Cd(Ⅱ)由4.8mg/L 降至0.04mg/L；同時在pH=7.3 時，100mg/L 的高鐵酸鹽可使6mg/L 的Cu(Ⅱ)，Zn(Ⅱ)分別降至0.02mg/L 和0.14mg/L。梁詠梅等的實驗[33]也表明，1mg/L 的高鐵酸鹽投量可使原水中250μg/L 的Pb和50μg/L 的Cd 的去除率較單純硫酸鋁混凝時提高20%左右，並且對Pb 的去除率高於Cd。在高鐵酸鹽除錳的實驗中[34]，1mg/L 的高鐵酸鹽預氧化1min 後投加40mg/L 硫酸鋁，可使水中1.23mg/L 的Mn 降至0.6mg/L，較單獨混凝時去除率提高40%；當高鐵酸鹽投量提高到3mg/L 時，相同條件下的沉後余錳降至0.1mg/L，去除率提高了90%。此外高鐵酸鉀預氧化對水中鐵離子也有較好的去除效果，經預氧化處理的沉後水中總鐵濃度是單純硫酸鋁混凝時的1/2。
在高鐵酸鹽預氧化去除重金屬離子的過程中，反應體系的pH 會對反應產生重要影響，中性和弱鹼性條件有利於重金屬離子的去除。例如pH=3 時，高鐵酸鹽投加量對去除率的貢獻不大，預氧化對鉛的去除率為40%左右，對鎘的去除率在20%以下；當pH 為7 和9 時，對鉛的去除率提高到90%以上，在pH=9 時，預氧化對鎘的去除率隨高鐵酸鹽投量的增加上升，當投加量增加5mg/L 時，去除率可提高到90%。
高鐵酸鹽對重金屬離子的去除，主要是依靠其在逐級還原過程中產生的高價態正電荷水解產物的絮凝作用，在此過程中各種中間產物發生聚合作用，而隨後產生的Fe(OH)3 膠體又具有較強的吸附共沉作用，通過以上各過程的協同作用完成對重金屬離子的去除。
用於濁度的去除
隨著經濟和社會的不斷發展，原水中的泥土、粉砂、微細有機物、無機物、浮游生物等懸浮物和膠體物逐漸增多，造成水中濁度不斷上升，降低飲用水中的濁度已成為水處理的重要目的之一。傳統工藝對濁度的去除多為直接混凝處理，而採用高鐵酸鉀預氧化技術能夠顯著加強後續混凝處理對濁度的去除，並且能夠減少混凝劑的用量。馬軍在對滄州自來水廠黃河水的預氧化試驗[表明：少量高鐵酸鉀加入量（0.6mg/L左右）即可顯著減少混凝劑的投量，25mg/L 混凝劑投量即可達到單純混凝時35mg/L 投量時的效果，降低大約30%的藥耗，而在對鄭州自來水廠，松花江和巢湖的實驗中也得到了相似的結果。對微污染水庫水用1mg/L 高鐵酸鉀預氧化聯合60mg/L 硫酸鋁混凝處理後，可使沉後水和濾後水濁度從282NTU 分別下降至5NTU 和0.2NTU 左右，而單純採用硫酸鋁混凝時則分別需要70mg/L 和80mg/L 的投藥量才能達到相同效果。高鐵酸鹽預氧化對低溫低濁水同樣有效，在冬季對松花江水的實驗中，使用高鐵酸鹽複合藥劑可使沉後水濁度由27.5 降至2NTU，單純的硫酸鋁混凝最低也只能將濁度降到8NTU，而濾後水的濁度下降更為顯著，高鐵酸鹽複合藥劑處理後的濾後水濁度均低於0.5NTU。
高鐵酸鹽對濁度的去除機理與其對有機物的去除相似，主要是通過其強氧化性、水解產物的助凝作用，以及最終產物Fe(OH)3 較高的吸附活性三者的協同作用完成的。強氧化性能夠破壞膠體表面的有機保護層，使其易於脫穩，而其高價正電荷水解產物則通過電中和使水中的無機膠體脫穩，最終生成的Fe(OH)3可以吸附絮體和水中較小的顆粒，形成較大的絮體同時增加其沉速，達到對濁度的去除。
滅菌作用
高鐵酸鹽由於其強氧化性，對水中的微生物也具有較強的滅活作用。Murmann 與Robinson 在1974 年首次發現高鐵酸鉀具有明顯的滅菌作用，用6mg/L 的高鐵酸鉀處理原水30min，可將水中20~30 萬個/mL的細菌去除至小於100 個/mL[32]。之後Gilbert 等的研究表明[36]，在pH=8.0、8.2 和8.5 的條件下，6mg/L 的高鐵酸鉀分別在8.5、7.2 和6.4min 內可滅活99%的大腸桿菌，當pH 低於8 時，高鐵酸鉀的消毒能力隨pH 降低明顯增強。在臭氧和高鐵酸鉀聯合實驗中[37]，單純的臭氧殺滅90%腸形菌素需要2mg/L 的投加量，而經5mg/L 高鐵酸鉀預處理後，1mg/L 臭氧便可殺死腸菌總數的99.9%。Jiang 等[38]對高鐵酸鹽、FeSO4 和NaClO處理飲用水進行比較後指出，高鐵酸鹽具有更快的殺菌速率和更高的殺菌效率，在pH=8 時6mg/L 的高鐵酸鹽處理30min，能夠殺滅原水中幾乎全部的大腸桿菌。除大腸桿菌外，高鐵酸鉀對白色念球菌、枯草桿菌黑色變種芽孢和金黃色葡萄球菌也有較強的滅活作用。實驗表明，在10min 的反應時間內，5.0mg/L的高鐵酸鉀可殺滅99.96%的白色念球菌，10.0mg/L的高鐵酸鉀可殺死99.97%的枯草桿菌黑色變種芽孢，0.5mg/L 的高鐵酸鉀可滅活99.99%的金黃色葡萄球菌。同時，高鐵酸鹽對f2 病毒[41]以及Qβ噬菌體也有良好的滅活作用。
