绿色氧化剂高铁酸钾在水处理中的应用研究进展

贺素姣

（河南化工职业学院，河南 郑州 450042）

绿色氧化剂高铁酸钾在水处理中的应用研究进展

贺素姣

（河南化工职业学院，河南 郑州 450042）

高铁酸钾在水溶液中具有强氧化能力, 其还原产物Fe(Ⅲ)无毒。高铁酸钾集氧化杀菌、吸附、絮凝、除臭为一体, 在废水处理中是一种对环境无二次污染、十分有效的新型高效多功能水处理剂，近年来人们给予高铁酸钾极大的关注，高铁酸钾被誉为绿色氧化剂。

绿色氧化剂；水处理；高铁酸钾

高铁酸钾（K2FeO4）是一种集氧化、吸附、絮凝、助凝、杀菌、脱臭于一身的新型高效多功能绿色水处理剂[1]。其优越的氧化性能及独特的水处理功能越来越引起人们的广泛兴趣。在水溶液中，高铁酸钾以高铁酸根FeO42-[Fe(Ⅵ)]形式存在，具有极强的氧化性，在酸性和碱性条件下的氧化还原电位分别为+2.20 V和+0.72V。高铁酸钾在酸性条件下的氧化能力很高，与水处理领域现有消毒剂相比氧化能力最强，它能快速杀灭水中的细菌和病毒。另外，与氯消毒剂相比，不会生成三氯甲烷、氯酚等有害人体健康的消毒副产物[2]，自身的还原产物Fe3+或Fe(OH)3为传统的无机絮凝剂。总之，高铁酸钾在处理水的过程中，不会引入任何有毒有害物质的，从而保证水质的安全性，且游离出来的Fe3+、Fe2+对人体有补血之功效。另外，适用的pH范围比含氯药剂宽，处理后的水无臭无味，口感好，而且成本也低于其它氧化剂[3]。因此高铁酸钾有望成为新一代绿色的饮用水处理剂。

对于废水的处理，高铁酸钾能理想地进行微生物消毒，部分地降解或氧化水中有机物和无机物杂质，且除去胶状/悬浮的微粒物质和重金属。在所有实践中用于水和废水处理的氧化剂/消毒剂中高铁酸盐是最强的。

1 高铁酸钾在水和废水处理中的应用

高铁酸钾处理水是一个集氧化、絮凝、吸附和杀菌消毒等协同作用与连续发生的过程。作为一种绿色的水处理剂，高铁酸钾适应社会的发展要求。一些学者以高铁酸钾作为处理药剂，研究了高铁酸钾对水污染物的处理效能。一般地，对于水和废水的处理来说，高铁酸钾有以下几个方面的应用。

1.1 高铁酸钾氧化有机/无机杂质

高铁酸钾是一种强氧化剂。在酸性条件下（pH<2），FeO42-离子的氧化还原电位比臭氧高，毫无疑问在水和废水的处理中应用的药剂，高铁酸钾是最强的一个。许多研究已经表明高铁酸钾能有效去除多种有机污染物，如酒精、羧基化合物、氨基酸、苯酚及其衍生物、1，2- 二醇、有机氮化合物、脂肪硫、亚硝胺化合物、顽固的有机物、硫脲、硫代硫酸盐、氯氧化物和肼化物。这些化合物氧化的程度与高铁酸盐的量有关；且在减少有机物浓度时，过量的高铁酸盐对上述污染物的处理是很有效的。研究表明，pH＜8时，用高铁酸盐氧化4种有机物苯、氯苯、丙烯和苯酚，最大去除率分别是18%~47%，23%~47%，85%~100%和32%~55%。当高铁酸盐与有机杂质的摩尔比在3∶1~15∶1的范围之内，达到高铁酸盐的最大氧化效率[4]。美国环境保护机构列出了129种在自来水中发现的优先去除的污染物，其中的5种，即萘、三氯乙烯、硝基苯、溴二氯甲烷、二氯苯作为高铁酸钾氧化试验的对象。试验表明萘和三氯乙烯可以被高铁酸钾完全氧化，硝基苯氧化得比较慢，另外两种不能被氧化[5]。最近30年，对副产物CBP的形成已经给予了许多关注[6]。当使用传统的氯和未加工的水含有痕量的自然/合成的有机物，CBP形成是不可避免的。然而，如果使用高铁酸盐，微生物和CBP形成的先驱将被除去，值得关注。

对几种无机污染物的氧化研究结果如下：氰化物，氨和硫化氢，当pH值的范围8~12，温度为15~300℃时，高铁酸盐可以有效地降解氰化物。当高铁酸盐与氨的摩尔比大于1时，除去大于22%的氨，且高铁酸盐能除去地下水和废水中99.9%的硫化氢。此外， K2FeO4浓度在10~100mg·L-1的范围内，能有效地降低许多金属离子(如 Fe2+，Fe3+，Mn2+和Cu2+）和有毒的金属离子(如Pb2+，Cd2+，Cr3+，Hg2+)。

1.2 高铁酸钾除藻

近年来，水体富营养化问题逐渐制约着人们生活水平的提高，高铁酸钾对水中的藻类也有很好的杀灭作用。当水体中含藻量较高、藻种多为难以去除的蓝绿藻时，高铁投加量大于0.8mol·L-1时，高铁酸钾预氧化对藻类的去除明显优于高锰酸钾和氯，而且从二次污染角度考虑，用高铁酸钾氧化后，自身分解产生氢氧根离子和氧，对水质无副作用，这也优于传统氯化工艺[8]。高铁酸钾除藻是其强氧化性和新生氢氧化铁共同作用的结果，作用过程大致为：高铁酸钾氧化能够破坏藻细胞的表面结构，造成藻细胞表面鞘套的卷绕，并可能使细胞的外鞘开裂，致使胞内物质外流。高铁酸钾分解后产生的氢氧化铁胶体也可以被吸附在一些藻类细胞表面，在降低细胞表面电荷的同时也增加了这些细胞的沉淀性[9]。用铁的含量少于10mg·L-1的高铁酸钾氧化城市二级污水中的有机物，其中含有有机碳（TOC）12mg·L-1和生物化学需氧量（BOD）12.8mg·L-1，大约除去35%的TOC和95%的BOD。以上的结果不包括过滤。当考虑高铁酸盐的絮凝能力时，预期能除去更多的BOD和TOC。

1.3 高铁酸钾杀菌消毒

对于饮用水处理，氯化是一种最普遍的消毒技术。由于副产物CBP的发现和它们对健康潜在的消极影响，已经考虑用溴、碘、二氧化氯和臭氧代替氯。然而，它们产生其它的副产物，且认为这些副产物是有毒的，在一定程度上对人体和水栖生物有毒。K2FeO4用于水处理时与含氯消毒剂相比不会产生氯代烷烃、氯酚等副产物，被认为可替代氯作为水的有效消毒剂。1974年，Murmann与Robinson首次发现高铁酸钾具有明显的杀菌作用[10]，它可以杀死实验室培养的两种细菌（无重组细胞的假单胞菌和重组细胞的假单胞菌）。当FeO42-离子的浓度范围是0~50×10-6时，细菌被完全破坏。后来，不同的研究表明，高铁酸盐有足够的能力去杀死埃希氏菌属大肠杆菌 (E.COLI)。当接触时间为7min，pH值等于8.2，铁的浓度是6mg·L-1时, 杀死大肠杆菌的百分率是99.9%。为了达到相同的效果，当铁的浓度减少到2.4mg·L-1那么接触时间应该延长到18min。该结果也表明，如果水的pH值低于8.0时，FeO42-离子的消毒能力明显增加。高铁酸钾在城市二级污水中的消毒研究表明[11]，在8mg·L-1的FeO42-离子中，可以除去99.9%的大肠杆菌和97%的可生细菌。

T. Schink, T. D. Waite 发现高铁酸钾在低浓度下就能快速杀死f2 病毒[12]。日本学者加藤研究总结出了高铁酸钾对大肠杆菌和一般细菌的杀菌能力[13]。覃长森等人在37℃,加高铁酸钾到水样中至浓度为5.0~6.0mg·L-1时,其消毒杀菌效率为99.95%~99.99%[14]。而且，结果显示K2FeO4比氯和溴更有效，且在处理过的水中没有发现K2FeO4残余。相反，在处理过的水中氯和溴通常有残留[15]。

1.4 高铁酸盐的絮凝性能

高铁酸盐氧化水中的污染物后, Fe(Ⅵ)会转化为具有絮凝作用的Fe(OH)3。姜洪泉、金世洲、王鹏的研究表明,高铁酸盐具有氧化和絮凝双重功能,采用高铁酸盐预氧化与聚合铝絮凝联用的方法更为有效,且对水中酚类有机物及水中的硫化物具有明显的氧化去除效[16]。水中有机物质和微生物的氧化中，高铁酸盐离子将被还原为Fe3+离子或Fe(OH)3，同时在该过程中产生一个絮凝剂。比较K2FeO4、FeSO4·H2O、Fe(NO3)3除去水中浑浊度的性能，结果表明用K2FeO4处理过的水中剩余的浑浊比用FeSO4，Fe(NO3)3少。用高铁酸盐去除浑浊也受使用的缓冲溶液的影响。当使用的缓冲液分别是磷酸盐、碳酸盐、蒸馏过的水，那么去除的效率分别是95%，79%和84%。对于二级废水的处理，当高铁酸盐的浓度是15mg·L-1时，浑浊度、COD和悬浮固体分别得到有效地除去；废水中COD从40mg·L-1减少到7mg·L-1，去除百分率超过80%。另外，低浓度的高铁酸盐能达到同样的絮凝性能（例如对于浑浊的去除），与FeCl3和Al2(SO4)3相比产生污泥少。

1.5 关于诱导有机体突变物质

当一种新的化学药品用于水的处理时，处理后的水中是否含有诱导有机体突变物质是很重要的。这也是公众关注的健康问题。据悉大约90%的大家所知的致癌物质通过使用艾姆斯氏实验显示是诱导有机体突变物质，认为诱导有机体突变物质是一个潜在的致癌物质[17]。艾姆斯氏实验用高铁酸盐处理水，初步的研究证明其结果是否定的[18]，认为高铁酸盐试剂对于使用的研究条件不能产生诱导有机体突变物质的副产物。然而，需要进行系统的研究证明在高铁酸钾处理不同类型的水时，没有诱导有机突变物质的产生。

2 小结

随着社会的发展，人类对水的需求量逐渐增加，水污染亦日益严重，成为世界各国关注的环境问题。高铁酸钾作为一种非氯新型高效的水处理剂，适应了水处理技术新的要求，它不仅能快速杀灭水中的细菌和病毒，不生成三氯甲烷、氯代酚等衍生物，而且可去除水中部分有机污染物、重金属离子和脱色除臭。高铁酸盐在水处理的应用中，同时有两个明显的作用即化学消毒和絮凝，故它作为一个具有双重作用的水和废水的处理剂得到人们的重视。但还是存在一些实际问题有待解决: （1）目前还不能实现高铁酸钾的工业化生产;合成高铁酸钾的成本比较高；（2）高铁酸钾在水溶液中很不稳定；（3）需要系统地研究证明高铁酸盐处理不同类型的水时有没有产生有机体突变物质；（4）使用高铁酸盐作为饮用水处理的化学试剂需要中试操作，这对于水工业将提供很有用的信息；（5）研究氧化与絮凝反应机理及它们对pH值和高铁酸盐浓度的要求。

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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