多功能高铁酸盐去除饮用水中砷的研究

Posted 2023-01-13 絮凝

篇首语：时人不识凌云木，直待凌云始道高。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了多功能高铁酸盐去除饮用水中砷的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

水环境中高砷异常及砷污染已经成为一个引人注目的环境问题.高砷的水体，尤其是提供饮用水的高砷水，居民长期饮用，就会使微量砷在体内蓄积，从而造成对机体的长期慢性损害.
关于去除饮用水中砷的方法有很多[1～5]，对于含砷浓度较低的饮用水源水，去除一般采用氧化絮凝沉淀法[6，7]，即采用氧化剂(如氯、高锰酸钾)进行预氧化，然后加入铁盐混凝沉淀，而在这一处理过程中氧化剂作用很关键，它必须快速有效地将低价的砷氧化成高价砷，然后通过后续的絮凝作用，最终将其去除.这需要选择强的氧化剂，同时控制好氧化剂和絮凝剂的投加量、投加比例、投加时间等，这无疑加大了处理的工作量及难度.
本研究采用高铁酸盐去除饮用水中的砷，高铁酸盐作为一种试剂具有2种功能：高氧化性和多相凝聚，从而取代了氯铁盐2种试剂的投加，简化了处理方法，而且高铁酸盐的氧化能力比氯、高锰酸钾等更强，更能有效地氧化低价砷，在氧化过程中不会产生二次污染，也不会对人类及环境造成任何损害，此方法的应用更有利于饮用水的清洁化除砷.
1 材料与方法
11 实验仪器
JJ-4六联电动搅拌器(常州国华电器有限公司)；BeckmanDU600分光光度计；砷化氢发生装置；pH酸度计
12 主要药剂
高铁酸钾制备方法：在浓氢氧化钠溶液中通氯气，得到饱和的次氯酸钠溶液，加入硝酸铁反应生成高铁酸钠Na2FeO4.在浓的氢氧化钠溶液中，Na2FeO4的溶解度很大，主要杂质NaCl、KCl的溶解度较小而成为结晶析出，然后在溶液中加入浓氢氧化钾溶液，使Na2FeO4转化成K2FeO4晶体，在低温下使K2FeO4沉淀下来，抽滤得到高铁酸钾晶体，使用异丙醇洗去残存在产物中的氢氧化钾，真空干燥除去残留的水分和异丙醇，最后分析纯度.本研究中，采用的高铁酸钾为粉末状的固体，纯度为90%以上.将高铁酸钾固体配制成1g/L的浓溶液，由于高铁酸钾中残留有微量碱固体，配制好的溶液pH在9～10之间，现用现配.
三氧化二砷；氯化铁；高锰酸钾；氢氧化钠和盐酸等均为分析纯.
1.3 实验方法烧杯搅拌试验在
JJ-4六联电动搅拌器上进行.将含砷水样转移至一系列500mL的玻璃烧杯中，加入一定量的高铁酸钾，以300r/min的转速快速搅拌5min，再以120r/min的转速搅绊5min，之后用01mol/L的氢氧化钠和10%的盐酸调节pH值.以60r/min的转速慢搅30min，静置沉淀30min.取上清液50mL，分别盛于砷化氢发生瓶中，用国家标准方法二乙氨基二硫代甲酸银光度法测定水样的含砷量.
2 结果与讨论
2.1 高铁酸盐氧化絮凝去除砷的效能

在As(Ⅲ)浓度分别为10mg/L和20mg/L的原水中，投加不同量的高铁进行氧化絮凝，利用其氧化性将As(Ⅲ)快速氧化成As(Ⅴ)，继而被高铁产生的还原产物中间价态铁的絮凝吸附除去.实验结果表明(如图1)，含砷浓度10mg/L的原水，当投加高铁的量达到15mg/L时，砷残留0042mg/L，除砷率为96%；对含砷浓度20mg/L的原水，当投加高铁的量达到30mg/L时，砷残留0046mg/L，除砷率为98%.由此可见，只要投入的高铁与原水中砷的浓度比达到15∶1，除砷率就可以达到95%以上，处理后的水样中砷残留量全部达到国家饮用水卫生标准(<005mg/L)的要求.而且随着高铁与砷浓度比的增加，高铁氧化絮凝对砷的去除率提高.
2.2 不同pH条件下高铁除砷的效能
由于pH值对高铁酸盐的稳定性及氧化絮凝效果有很大的影响，因此pH值的控制就显得十分重要.研究表明，利用高铁酸盐在低pH条件下的强氧化性，采用先将水调至酸性(pH=4左右)，投加高铁酸盐后再反调至中性(pH=7左右)，可以改善FeO2-4氧化絮凝的协同作用效果，大大提高其去除污染物的效率.由于本试验配制的含砷水样其初始pH=43，有利于高铁酸盐氧化作用的发挥，而后通过滴加01mol/L氢氧化钠至产生絮体，进行絮凝吸附，此时溶液的pH值为7左右，从而达到高效除砷的目的.
23 不同氧化、絮凝时间对除砷效果的影响
高铁酸盐集氧化、絮凝、助凝功能于一身，因此选择最佳氧化时间和絮凝时间，充分发挥其功效十分重要.

含砷量10mg/L的原溶液，加入20mg/L的高铁，分别搅拌5min、10min、30min、60min、120min后加入亚硫酸钠淬灭反应，结束氧化，调节pH，继续搅拌絮凝30min，结果如表1所示.试验结果表明，加入高铁后氧化5min以上，水样中的砷残留量可以达到国家饮用水卫生标准(<005mg/L)的要求，延长高铁氧化时间至10min，砷去除可达国际饮用水卫生标准，再延长氧化时间，砷去除率不再提高，这说明高铁氧化性强，在短时间内就能与砷反应完全，具有快速、高效的特点.本试验氧化时间采用10min.

同时研究不同絮凝时间对高铁除砷的影响.含砷量10mg/L的原溶液，加入20mg/L的高铁，氧化10min后，调节pH至产生絮体，分别絮凝10min、20min、30min、60min、120min后结束搅拌，结果如表2所示.试验结果表明，絮凝10min，砷的去除率仅有836%，随着搅拌时间的延长，絮凝30min以上除砷效果好，这说明高铁的还原产物Fe(OH)3吸附砷的过程是缓慢的，且达到吸附平衡后，除砷率不再增加.本试验絮凝时间采用30min.
2.4 盐度和硬度对高铁除砷效能的影响
在我国饮用高砷水的地区，水中的盐度和硬度也往往较高.本试验分别用添加氯化钠和碳酸钙的方法考察了盐度和硬度对高铁酸盐除砷效率的影响.原溶液含砷量为10mg/L，投加20mg/L的高铁，考察添加不同浓度的Na+、Ca2+对去除效果的影响，结果如图2、3所示.由图可知，盐度和硬度对高铁酸盐的除砷效果基本没有影响.因此，在高盐度、高硬度的含砷水中，高铁酸盐仍能保持其高氧化絮凝作用去除砷.

25 高铁酸盐与铁盐法除砷效能的比较
以Fe含量计，考察相同铁含量条件下，高铁氧化絮凝与单纯铁盐絮凝对砷去除效能的对比.试验结果如图4所示.由图4可知，当铁含量为9mg/L时，采用高铁氧化絮凝除砷率98%，残留砷仅0021mg/L，而采用单纯铁盐絮凝的除砷率仅有80%，砷的残留量为0218mg/L，远远超出国家饮用水标准，增大三氯化铁投量，除砷率增加，但要达到处理后水中的砷达到国家饮用水标准，要求三氯化铁(Fe3+)与砷浓度的比要在45∶1以上，是高铁(FeO2-4)与砷浓度比15∶1的3倍，证实了氧化在高效除砷方面的重要作用，同时高铁投量(以铁量计)为9mg/L就可达到投加54mg/L三氯化铁(以铁量计)的除砷效果，由此可知高铁除砷产生的污泥量比铁盐法的少，除砷效果又大大高于铁盐法.

26 高铁酸盐与氧化铁盐法除砷效能的比较
由上讨论可知，单纯的铁盐絮凝除砷，投药量大，且效果不理想.利用预氧化与絮凝结合可显著提高后续絮凝的作用，在这一处理过程中氧化剂作用很关键，它必须快速有效地将低价的砷氧化成高价砷，然后通过后续的絮凝作用，最终将其去除.本试验将高铁与高锰酸钾作为氧化剂，以三氯化铁作为絮凝剂，在原水含砷量为10mg/L和20mg/L的情况下，对高铁预氧化和高锰酸钾预氧化，结合铁絮凝的除砷效果进行了比较，如图5所示.结果表明，当原水含砷量为10mg/L，FeCl3投加量为18mg/L，2种氧化剂的投量达到1mg/L，除砷率就可达到98%，砷残留量在002mg/L左右，两者的除砷效能相当.但是当原水含砷量为20mg/L，FeCl3投加量为18mg/L，高铁酸盐投加量5mg/L时，剩余砷为0079mg/L，当高铁酸盐的投加量增加到10mg/L，砷残留仅为0039mg/L；与高锰酸钾对照，高锰酸钾投加量为5mg/L，剩余砷0185mg/L，砷仅去除了91%，再加大投加量，砷去除率也不会增高，砷残留量严重超标，而且高锰酸钾颜色深，反应速度慢，极难褪色，存在向水体中引入Mn污染的危险，不适宜投加高剂量.由此可见，高铁酸盐对砷的去除效果明显优于高锰酸钾，又由于高铁酸盐的还原产物又可用于后续絮凝除砷，因此不会对水体造成二次污染，更有利于饮用水的清洁化除砷.

3 结论
(1)高铁酸盐除砷具有方法简便，效果好，产生污泥量少，无二次污染等优点，这一方法的应用更有利于饮用水的清洁化除砷.并且，对于高砷饮用水，只要高铁投量与原水砷浓度达到15∶1以上，处理后的水样中砷残留量都可以达到国家饮用水卫生标准(<005mg/L)的要求.
(2)高铁酸盐除砷对pH值的要求较高，适宜的pH值范围为55～75之间，且pH值的调节要在试验中进行.
(3)由于高铁酸盐集氧化、助凝、絮凝等功能于一身，因此选择适宜的氧化时间和絮凝时间十分重要.氧化时间以10min以上为佳，絮凝时间以30min以上为佳.
(4)盐度和硬度对高铁酸盐的除砷效果基本没有影响.因此，在高盐度、高硬度条件下，高铁酸盐仍然保持对砷的较高选择性.
(5)与传统的铁盐法和氧化铁盐法相比，高铁酸盐的除砷效果更佳.可与水厂常规处理工艺相结合，利用它的氧化和絮凝功能，取代絮凝工艺；但考虑到高铁酸盐的成本，也可采用预氧化+絮凝工艺，来实现氧化絮凝除砷的效果.