铁氧体及其复合材料对水体中氨基苯胂酸去除效能的研究

李 铮，雷 鸣

（1.湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128；2.长沙环境保护职业技术学院，长沙 410004）

随着近几年化工行业的迅速发展和居民消费需求的不断增长，农药、洗衣粉的供求量逐渐增加。但是，很多人工合成的物质会随排放的生产废水和生活污水流入水体中，形成水体污染，造成生活饮用水的质量逐渐恶化。常规的饮用水处理对象主要是水体中含有的漂浮物质、杂质和部分细菌[1]。

铁氧体主要是由铁与其他一种或多种金属所组成的复合含氧化合物，它是一种金属化合物，具有铁磁性，是一种新型纳米材料。根据晶格类型，铁氧体可以分为磁铅石型铁氧体、尖晶石型铁氧体等。

在水体中加入凝结剂来凝结水中不能沉淀而分离的漂浮物，再把沉淀后水体中留下的杂质过滤掉，从而增加水体的清洁度，最后通过消毒消灭掉水中的微生物和细菌，得到安全的生活用水。铁氧体具有良好磁性、吸附性、敏感性和催化性等物理性质和化学性质，在很多领域被广泛应用。纳米材料表面有很多原子，表面积也较大，造成原子饱和度不够，活性很强并且极不稳定，容易与其他原子结合，吸附能力很强。因此，当前有必要做好利用纳米材料去除水环境中污染物的研究。

1 铁氧体及其复合材料对水中氨基苯胂酸去除效能分析

1.1 吸附

20世纪中期，铁氧体被发现，它具有良好的吸附性能，是一种非常有效的磁性材料。与传统的金属磁性材料相比，它具有电阻率更大、在高频时磁导率更高等优点。铁氧体是一种富含铁酸盐的陶瓷性材料，大多由金属氧化物复合而成。

作为吸附材料的铁氧体被应用到很多领域，四大发明之一指南针就是由Fe3O4材料制成[2]。随着科学技术的飞速发展，学者通过研究铁氧体的性质和组成，开发出铁氧体复合材料，其兼具各种材料的特性，被广泛应用，如自动控制、仪器仪表、人造卫星、航天通信以及环境污染处理等领域，在工业上起到重要作用[3]。铁氧体的晶体结构如表1所示。

表1 铁氧体的晶体结构

氨基苯胂酸是一种白色、无气味晶状粉末物质，对水生生物有极高毒性，可能对水体环境产生长期不良影响。其通过粪便施肥进入土壤，可以被植物吸收；可以在物理、化学和微生物等因素的作用下发生转化，转变为迁移能力更强、毒性更大的三价和五价的无机砷化合物，对环境造成严重污染[4-5]。

1.2 光降解

尖晶石型铁氧体在经过光照射时，能够产生一种光生电子——空穴对，从而引发吸附在其表面的物质发生氧化还原反应，达到光催化目的[6-7]。以ZnFe2O2光催化降解罗丹明B（RhB）为例，下面简单介绍铁氧体光降解有机物的一种机理。当ZnFe2O2被汞灯辐射时，其价带上的电子可以被激发到导带上，其间会持续产生电子反应，生成化合物，最终实现光降解[8-9]。

2 试验

为了更好地验证铁氧体及其复合材料对去除水体中氨基苯胂酸的效果，笔者同时进行试验对比分析。主要试验原料有氧化钙、氧化锡、硝酸钠、二氧化铁、硝酸铁、氧化镁、氢氧化钠。

本研究使用的试验设备较多，包括Precisa XT220A电子秤、微型磁力高压反应釜、科伟202-00型烘箱、QM-3spz行星式球磨、769YP-24B型粉末压片机和SX3-4-13A型智能纤维电阻炉。Precisa XT220A电子秤为瑞士生产，用来称量各种试验原料，精度可达到0.001 g，较为先进。反应釜为WCGF微型磁力高压反应釜，由我国安太康生物科技有限公司生产。烘箱型号为科伟202-00型，它是一种电热恒温干燥箱。QM-3spz行星式球磨机的球磨罐以尼龙为主材料，球磨珠的主要材料则是ZrO。769YP-24B型粉末压片机由天津市科仪高新科技有限公司生产。烧结设备型号为SX3-4-13A型智能纤维电阻炉。

2.1 传统去除方法

2.1.1 混凝

首先进行混凝技术加工，加入的试剂和水混合均匀后，利用机械快速剧烈搅拌，目的是让试剂快速并均匀地分散在水里，直到絮凝出大颗粒物质为止[10]。

2.1.2 沉淀

上一阶段形成的絮状大颗粒体由于自身重力会沉淀在水底，当水流入沉淀池时，截面孔隙会将不同的污染物分离出来，使其逐渐向沉淀池的出口区流出。水中的泥垢逐渐积累并收缩，定期排出池外。

2.1.3 过滤

通过吸附作用将水中的石英砂及悬浮在水中的颗粒状杂质过滤掉，去除水中小部分的细菌、病毒、细小的杂质和有机物等，达到水体澄清的效果[11]。

2.2 铁氧体及其复合材料去除方法

首先分析铁氧体及其复合材料的投加量对水体中沉淀物的影响，数据如表2所示。

表2 投加量对水体中沉淀物的影响结果

从表2沉淀物的颜色变化和磁性强度变化可以看出，铁氧体及其复合物的投加量越多，沉淀物的颜色越深，磁性越强，更加利于对水体中污染物的去除。

以对硝基苯胺为原料，经重氮化、胂化（置换）和还原而得。将对硝基苯胺281.8 g、工业盐酸352.8 g加入反应器中，于室温下搅拌，使其充分成盐。冷却至0℃后滴加30%亚硝酸钠水溶液，控制温度不超过10℃，以淀粉-KI试纸检查重氮化反应终点。将323 g AsO3和30%的硝酸钠溶液在反应器中升温搅拌，使其完全溶解，并沸腾0.5 h。冷却至10℃，加入几滴CuSO4溶液，然后在搅拌下缓缓加入重氮盐溶液，反应生成硝基苯胂酸溶液，控制温度不超过30℃。在硝基苯胂酸溶液中加入硫酸溶液，使pH达到3.4，加入328.1 g还原铁粉和140 g食盐，加热至微回流（110℃）反应2 h。反应结束（稍冷）后加入200 g 30%的NaOH溶液，放置5 h后过滤。滤液用工业稀硫酸调节pH至4.5，加活性炭于80～90℃下脱色（20 min）、过滤。滤液用硫酸调节pH至2.8～3.2，冷却至10℃，过滤、洗涤得粗品。将粗品及少量抗氧化剂和8倍量的去离子水加热溶解，加入少量医用活性炭回流脱色，过滤后的滤液冷却至5℃，晶体干燥后得成品。

图1 两种方法对氨基苯胂酸的去除效果

如图1所示，加入铁氧体及其复合材料对水体中氨基苯胂酸的去除率远远高于传统的方法。铁氧体及其复合材料应该有效地用于去除水体污染物，其安全指数达到98%，可以为人类生活提供安全保障。

3 结语

铁氧体及其复合材料具有独特的结构和良好的吸附效果，在去除水环境污染物氨基苯胂酸方面显示出巨大的应用潜力。在水污染处理方面，铁氧体及其复合材料将会得到更广泛的应用，而其对环境与健康的潜在风险还有待评价研究。因此，笔者希望更多的研究人员能关注铁氧体及其复合材料潜在的问题，分析其对环境产生的影响。