高鐵酸鹽（可去除水中微細(xì)懸浮物的凈水劑）

簡(jiǎn)介

高鐵酸鹽是一種綠色凈水劑，其有效成部分是高鐵酸根[（FeO4）2-]。這里，鐵呈+6價(jià)，具有很強(qiáng)的氧化性，能通過(guò)氧化作用進(jìn)行消毒。同時(shí)，反應(yīng)過(guò)后的還原產(chǎn)物是氫氧化鐵[Fe(OH)3]，在溶液中呈膠體，能夠?qū)⑺械膽腋∥锞奂纬沙恋?。高鐵酸鹽同時(shí)具有氯氣和明礬[Kal(SO4)2.12H2O]的凈水效果，是一種新型的凈水劑。

高鐵酸鹽

制取反應(yīng)

以鈉鹽為例：2Fe(OH)3+3NaClO+4NaOH=2Na2FeO4+3NaCl+5H2O

高溫熔融反應(yīng)法

高溫熔融反應(yīng)法是在苛性堿存在的條件下，KNO3或過(guò)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(diǎn)：產(chǎn)品可大量生產(chǎn)，但純度低，需經(jīng)一系列后續(xù)提純處理；是最早發(fā)現(xiàn)高鐵酸鹽的方法，但由于反應(yīng)溫度過(guò)高且有苛性堿的存在或生成，因而會(huì)使反應(yīng)容器腐蝕嚴(yán)重，同時(shí)具有一定的危險(xiǎn)性。

次氯酸鹽氧化法

次氯酸鹽氧化法是在強(qiáng)堿條件下將Fe3+氧化成Fe6+，高鐵酸鹽在水中不穩(wěn)定，所以必須馬上過(guò)濾、脫水、干燥，以得到固態(tài)的高鐵酸鹽產(chǎn)物。

次氯酸鹽氧化法的特點(diǎn)：該工藝看起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而實(shí)際上該工藝操作程序繁瑣，需控制在較低溫度下緩慢反應(yīng)；一般需提純、過(guò)濾若干次且吸收率較低。

電解法

電解法制備高鐵酸鹽采用的工藝是：以高濃度的KOH溶液為電解液，電解鐵陽(yáng)極使其氧化生成K2FeO4.

電解法的特點(diǎn)：電解產(chǎn)品的雜質(zhì)含量少；電流效率低，累計(jì)的高鐵酸鹽的濃度低，而其稀溶液現(xiàn)在尚無(wú)適宜的方法進(jìn)行濃縮處理。所以該法也不能滿(mǎn)足規(guī)?；a(chǎn)的要求。

應(yīng)用領(lǐng)域

高鐵酸鹽（鈉、鉀）是六價(jià)鐵鹽，具有很強(qiáng)的氧化性，溶于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(shí)，自身被還原成新生態(tài)的Fe（OH）3，這是一種品質(zhì)優(yōu)良的無(wú)機(jī)絮凝劑，能高效地除去水中的微細(xì)懸浮物。實(shí)驗(yàn)證明，由于其強(qiáng)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(yōu)于含氯消毒劑和高錳酸鹽。更為重要的是它在整個(gè)對(duì)水的消毒和凈化過(guò)程中，不產(chǎn)生任何對(duì)人體有害的物質(zhì)。高鐵酸鹽被科學(xué)家們公認(rèn)為綠色消毒劑。

高鐵酸鹽除了具有優(yōu)異的氧化漂白、高效絮凝、優(yōu)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(zhì)。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(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為安全無(wú)味的物質(zhì)。由于高鐵酸鹽在整個(gè)PH值范圍都具有極強(qiáng)的氧化性，因而對(duì)于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(jià)。

制法：Fe(OH)3或Fe2O3與一些氧化劑（如KNO3、O2)在堿性條件（如NaOH)下反應(yīng)，生成。

性質(zhì)：主要是強(qiáng)氧化性，也正是因?yàn)榫哂袕?qiáng)氧化性，可以殺菌消毒，處理水，在殺菌消毒的同時(shí)，本身被還原成Fe^3+，又容易水解生成Fe(OH)3，具有膠體的性質(zhì)，可以吸附水中的懸浮雜質(zhì)，從而起到凈化水的作用。

性質(zhì)

分子結(jié)構(gòu)

高鐵酸鹽，F(xiàn)e位于中心，其他的氧原子分別位于四個(gè)角上，呈現(xiàn)出一種略不規(guī)則的正四面體結(jié)構(gòu)。高鐵酸鹽中最重要的化合物是高鐵酸鉀，固態(tài)是黑紫色粉末，熔點(diǎn)198℃。高鐵酸鹽在干燥條件下，230℃開(kāi)始分解。?

氧化性

鐵離子的氧化性十分強(qiáng)，最高價(jià)態(tài)為+6價(jià)，可以氧化大多數(shù)的有機(jī)物，且有選擇性，相對(duì)于高錳酸鉀和其他氧化物，氧化性都更強(qiáng)。它的標(biāo)準(zhǔn)電極電位在堿性條件下為0.72V，酸性條件下為2.20V。可通過(guò)調(diào)節(jié)高鐵酸鹽的結(jié)構(gòu)、pH值、陽(yáng)離子來(lái)調(diào)控氧化活性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高選擇性。高鐵酸鹽在堿性溶液，弱堿性、中性和微酸性溶液及酸性溶液中的反應(yīng)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(chǎn)物，并且對(duì)身體是無(wú)害的。因?yàn)檫@種特性使得高鐵酸鹽較之其他常規(guī)的水處理氧化劑具有明顯的優(yōu)勢(shì)，成為綠色環(huán)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(duì)有機(jī)溶劑廣泛不溶。高鐵酸鉀在飽和的堿性溶液中溶解度雖然低，但是穩(wěn)定性很好，容易通過(guò)堿性氧化法制得和實(shí)現(xiàn)固液分離，是最常合成的高鐵酸鹽化合物。高鐵酸鉀一般不溶于有機(jī)溶劑。

高鐵酸根在苛性鈉溶液中的溶解度大于苛性鉀溶液?？捎脷溲趸泴⒏哞F酸鹽從苛性鈉溶液中沉淀出來(lái)，制備高鐵酸鹽固體。?

穩(wěn)定性

室溫下，高鐵酸鉀晶體，十分穩(wěn)定。在水中，高鐵酸根中的氧原子會(huì)與水中的氧原子進(jìn)行交換，反應(yīng)速度較為緩慢，同時(shí)釋放出氧氣，發(fā)生自分解，溶于水后，高鐵酸根與水分子結(jié)合發(fā)生質(zhì)子化，三種質(zhì)子化形態(tài)在整個(gè)pH范圍內(nèi)存在，各質(zhì)子化形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化方程式如（1.4），（1.5）和（1.6）所示。

H3FeO4=H+H2FeO4PH1=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(wěn)定性的決定性因素是水的酸堿度。在酸性條件下，H2FeO4,HFeO4-比較活潑，較易分解。堿性條件下，F(xiàn)e（VI）主要以FeO42-形式存在。因此，在其他條件都不變的情況下，高鐵酸鹽在堿性溶液中的穩(wěn)定性高于在中性和酸性溶液中的穩(wěn)定性。Lee等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鉀在pH=9.4~9.7的范圍內(nèi)解速度最低。

污水處理

用于除藻

近年來(lái)，水體污染日益嚴(yán)重，造成水源水中藻類(lèi)含量日益升高。水體中大量的藻類(lèi)會(huì)給飲用水處理帶來(lái)許多問(wèn)題，影響飲用水的生產(chǎn)及安全。氧化預(yù)處理是去除水中藻類(lèi)較為普遍采用的方法，但預(yù)氯化過(guò)程中氯與原水中較高濃度的有機(jī)物作用會(huì)生成一系列對(duì)人體有害的鹵代有機(jī)物；而采用臭氧預(yù)氧化除藻存在投資大、運(yùn)行費(fèi)用高的問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)高鐵酸鹽預(yù)氧化除藻技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，形成了較為成熟的理論。?

用于有機(jī)污染物的去除

水中的有機(jī)污染物會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，同時(shí)還會(huì)對(duì)膠體產(chǎn)生嚴(yán)重的保護(hù)作用，不但增加了膠體表面電荷，也造成空間位阻效應(yīng)，是影響混凝效果的主要因素。而高鐵酸鹽由于其所具有的多功能凈水效能，可有效去除水中的有機(jī)污染物，并且不會(huì)造成二次污染，有較好的應(yīng)用前景。?

用于重金屬離子的去除

重金屬是對(duì)人體危害較大的一類(lèi)污染物，它們易在生物體內(nèi)積累，毒性隨形態(tài)而異，常規(guī)的混凝工藝對(duì)大多數(shù)重金屬離子的去除效果不佳。而高鐵酸鹽預(yù)氧化技術(shù)能夠顯著增強(qiáng)混凝劑的混凝效果，強(qiáng)化對(duì)重金屬離子的去除效果。大量實(shí)驗(yàn)表明，高鐵酸鹽預(yù)氧化對(duì)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)降至小于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(shí)在pH=7.3時(shí)，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(shí)驗(yàn)[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(shí)提高20%左右，并且對(duì)Pb的去除率高于Cd。在高鐵酸鹽除錳的實(shí)驗(yàn)中[34]，1mg/L的高鐵酸鹽預(yù)氧化1min后投加40mg/L硫酸鋁，可使水中1.23mg/L的Mn降至0.6mg/L，較單獨(dú)混凝時(shí)去除率提高40%；當(dāng)高鐵酸鹽投量提高到3mg/L時(shí)，相同條件下的沉后余錳降至0.1mg/L，去除率提高了90%。此外高鐵酸鉀預(yù)氧化對(duì)水中鐵離子也有較好的去除效果，經(jīng)預(yù)氧化處理的沉后水中總鐵濃度是單純硫酸鋁混凝時(shí)的1/2。

在高鐵酸鹽預(yù)氧化去除重金屬離子的過(guò)程中，反應(yīng)體系的pH會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生重要影響，中性和弱堿性條件有利于重金屬離子的去除。例如pH=3時(shí)，高鐵酸鹽投加量對(duì)去除率的貢獻(xiàn)不大，預(yù)氧化對(duì)鉛的去除率為40%左右，對(duì)鎘的去除率在20%以下；當(dāng)pH為7和9時(shí)，對(duì)鉛的去除率提高到90%以上，在pH=9時(shí)，預(yù)氧化對(duì)鎘的去除率隨高鐵酸鹽投量地增加上升，當(dāng)投加量增加5mg/L時(shí)，去除率可提高到90%。

高鐵酸鹽對(duì)重金屬離子的去除，主要是依靠其在逐級(jí)還原過(guò)程中產(chǎn)生的高價(jià)態(tài)正電荷水解產(chǎn)物的絮凝作用，在此過(guò)程中各種中間產(chǎn)物發(fā)生聚合作用，而隨后產(chǎn)生的Fe(OH)3膠體又具有較強(qiáng)的吸附共振作用，通過(guò)以上各過(guò)程的協(xié)同作用完成對(duì)重金屬離子的去除。?

用于濁度的去除

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，原水中的泥土、粉砂、微細(xì)有機(jī)物、無(wú)機(jī)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(tǒng)工藝對(duì)濁度的去除多為直接混凝處理，而采用高鐵酸鉀預(yù)氧化技術(shù)能夠顯著加強(qiáng)后續(xù)混凝處理對(duì)濁度的去除，并且能夠減少混凝劑的用量。馬軍在對(duì)滄州自來(lái)水廠(chǎng)黃河水的預(yù)氧化試驗(yàn)[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(dá)到單純混凝時(shí)35mg/L投量時(shí)的效果，降低大約30%的藥耗，而在對(duì)鄭州自來(lái)水廠(chǎng)，松花江和巢湖的實(shí)驗(yàn)中也得到了相似的結(jié)果。對(duì)微污染水庫(kù)水用1mg/L高鐵酸鉀預(yù)氧化聯(lián)合60mg/L硫酸鋁混凝處理后，可使沉后水和濾后水濁度從282NTU分別下降至5NTU和0.2NTU左右，而單純采用硫酸鋁混凝時(shí)則分別需要70mg/L和80mg/L的投藥量才能達(dá)到相同效果。高鐵酸鹽預(yù)氧化對(duì)低溫低濁水同樣有效，在冬季對(duì)松花江水的實(shí)驗(yàn)中，使用高鐵酸鹽復(fù)合藥劑可使沉后水濁度由27.5降至2NTU，單純的硫酸鋁混凝最低也只能將濁度降到8NTU，而濾后水的濁度下降更為顯著，高鐵酸鹽復(fù)合藥劑處理后的濾后水濁度均低于0.5NTU。

高鐵酸鹽對(duì)濁度的去除機(jī)理與其對(duì)有機(jī)物的去除相似，主要是通過(guò)其強(qiáng)氧化性、水解產(chǎn)物的助凝作用，以及最終產(chǎn)物Fe(OH)3較高的吸附活性三者的協(xié)同作用完成的。強(qiáng)氧化性能夠破壞膠體表面的有機(jī)保護(hù)層，使其易于脫穩(wěn)，而其高價(jià)正電荷水解產(chǎn)物則通過(guò)電中和使水中的無(wú)機(jī)膠體脫穩(wěn)，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(shí)增加其沉速，達(dá)到對(duì)濁度的去除。?

滅菌作用

高鐵酸鹽由于其強(qiáng)氧化性，對(duì)水中的微生物也具有較強(qiáng)的滅活作用。Murmann與Robinson在1974年首次發(fā)現(xiàn)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(wàn)個(gè)/mL的細(xì)菌去除至小于100個(gè)/mL[32]。之后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(nèi)可滅活99%的大腸桿菌，當(dāng)pH低于8時(shí)，高鐵酸鉀的消毒能力隨pH降低明顯增強(qiáng)。在臭氧和高鐵酸鉀聯(lián)合實(shí)驗(yàn)中[37]，單純的臭氧殺滅90%腸形菌素需要2mg/L的投加量，而經(jīng)5mg/L高鐵酸鉀預(yù)處理后，1mg/L臭氧便可殺死腸菌總數(shù)的99.9%。Jiang等[38]對(duì)高鐵酸鹽、FeSO4和NaClO處理飲用水進(jìn)行比較后指出，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(shí)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(duì)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(qiáng)的滅活作用。實(shí)驗(yàn)表明，在10min的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，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(shí)，高鐵酸鹽對(duì)f2病毒[41]以及Qβ噬菌體也有良好的滅活作用。