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高鐵酸鹽
可去除水中微細懸浮物的凈水劑
高鐵酸鹽是六價鐵的含氧酸鹽，有效成分是高鐵酸根，具有很強的氧化性，因此能通過氧化作用進行消毒。同時，由于反應過后的還原產(chǎn)物是氫氧化鐵[Fe(OH)3]，在溶液中呈膠體，能夠?qū)⑺械膽腋∥锞奂纬沙恋恚芨咝У爻ニ械奈⒓殤腋∥铩＜矗焊哞F酸鹽同時具有氯氣和明礬[KAl(SO4)2·12H2O]的凈水效果，是一種新型的綠色凈水劑。
基本信息
| 中文名 | 高鐵酸鹽 |
| 領(lǐng)域 | 化學 |
| 類型 | 綠色凈水劑 |
| 有效成分 | 高鐵酸根 |
| 本質(zhì) | 六價鐵含氧酸鹽 |
| 性能 | 強氧化性 |
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簡介
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，具有很強的氧化性，能通過氧化作用進行消毒。同時，反應過后的還原產(chǎn)物是氫氧化鐵[Fe(OH)3]，在溶液中呈膠體，能夠?qū)⑺械膽腋∥锞奂纬沙恋怼８哞F酸鹽同時具有氯氣和明礬[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
高溫熔融反應法
高溫熔融法的特點：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，但由于反應溫度過高且有苛性堿的存在或生成，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：該工藝看起來比較簡單，而實際上該工藝操作程序繁瑣，需控制在較低溫度下緩慢反應；一般需提純、過濾若干次且吸收率較低。
電解法
電解法的特點：電解產(chǎn)品的雜質(zhì)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(xiàn)在尚無適宜的方法進行濃縮處理。所以該法也不能滿足規(guī)模化生產(chǎn)的要求。
應用領(lǐng)域
高鐵酸鹽（鈉、鉀）是六價鐵鹽，具有很強的氧化性，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，自身被還原成新生態(tài)的Fe（OH）3，這是一種品質(zhì)優(yōu)良的無機絮凝劑，能高效地除去水中的微細懸浮物。實驗證明，由于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(yōu)于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凈化過程中，不產(chǎn)生任何對人體有害的物質(zhì)。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(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)化為安全無味的物質(zhì)。由于高鐵酸鹽在整個PH值范圍都具有極強的氧化性，因而對于淤泥除臭處理是較為理想的方法。
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，生成。
性質(zhì)：主要是強氧化性，也正是因為具有強氧化性，可以殺菌消毒，處理水，在殺菌消毒的同時，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198℃。高鐵酸鹽在干燥條件下，230℃開始分解。
氧化性
鐵離子的氧化性十分強，最高價態(tài)為+6價，可以氧化大多數(shù)的有機物，且有選擇性，相對于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堿性條件下為0.72V，酸性條件下為2.20V。可通過調(diào)節(jié)高鐵酸鹽的結(jié)構(gòu)、pH值、陽離子來調(diào)控氧化活性，進而實現(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，并且對身體是無害的。因為這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，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，對有機溶劑廣泛不溶。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，容易通過堿性氧化法制得和實現(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溶劑。
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(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，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(chǎn)及安全。氧化預處理是去除水中藻類較為普遍采用的方法，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；而采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(nèi)學者對高鐵酸鹽預氧化除藻技術(shù)進行了大量的研究，形成了較為成熟的理論。
用于有機污染物的去除
水中的有機污染物會對人體產(chǎn)生危害，同時還會對膠體產(chǎn)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。而高鐵酸鹽由于其所具有的多功能凈水效能，可有效去除水中的有機污染物，并且不會造成二次污染，有較好的應用前景。
用于重金屬離子的去除
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(nèi)積累，毒性隨形態(tài)而異，常規(guī)的混凝工藝對大多數(shù)重金屬離子的去除效果不佳。而高鐵酸鹽預氧化技術(shù)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，并且對Pb的去除率高于Cd。在高鐵酸鹽除錳的實驗中[34]，1mg/L的高鐵酸鹽預氧化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，相同條件下的沉后余錳降至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(jīng)預氧化處理的沉后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(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，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地增加上升，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(chǎn)生的高價態(tài)正電荷水解產(chǎn)物的絮凝作用，在此過程中各種中間產(chǎn)物發(fā)生聚合作用，而隨后產(chǎn)生的Fe(OH)3膠體又具有較強的吸附共振作用，通過以上各過程的協(xié)同作用完成對重金屬離子的去除。
用于濁度的去除
隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)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(tǒng)工藝對濁度的去除多為直接混凝處理，而采用高鐵酸鉀預氧化技術(shù)能夠顯著加強后續(xù)混凝處理對濁度的去除，并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(jié)果。對微污染水庫水用1mg/L高鐵酸鉀預氧化聯(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，使用高鐵酸鹽復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，高鐵酸鹽復合藥劑處理后的濾后水濁度均低于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(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。強氧化性能夠破壞膠體表面的有機保護層，使其易于脫穩(wěn)，而其高價正電荷水解產(chǎn)物則通過電中和使水中的無機膠體脫穩(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增加其沉速，達到對濁度的去除。
滅菌作用
高鐵酸鹽由于其強氧化性，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(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20~30萬個/mL的細菌去除至小于100個/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pH低于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(lián)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(jīng)5mg/L高鐵酸鉀預處理后，1mg/L臭氧便可殺死腸菌總數(shù)的99.9%。Jiang等[38]對高鐵酸鹽、FeSO4和NaClO處理飲用水進行比較后指出，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(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，高鐵酸鹽對f2病毒[41]以及Qβ噬菌體也有良好的滅活作用。
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