（环境工程专业论文）高铁酸钾在煤矿矿井废水处理中的应用研究.pdf

安徽理工人学硕士学位论文 三矿矿井水净化厂开展了中试试验，针对部分污染较重的指标如p h 、悬浮物和浊 度、氟化物、部分重金属、c o d l h l 、总大肠菌群、菌落总数和石油类等的参数进行 了考察，结果良好，经过新处理工艺处理后的出水水质符合最新的国家生活饮用 水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) ，也达到了建设部颁布的可以作为直饮水的饮用净 水水质标准( c j9 4 - 2 0 0 5 ) 。通过试验稳定性及工艺的经济效益分析，矿井水新 处理工艺效果理想，具有扩大推广应用的i j 景。 图3 6表3 7参1 4 7 关键词：高铁酸钾；矿井水；混凝；粉煤灰；纳米t i o ：；光催化；中试试验 分类号：x 7 0 3 1 a b s t r a c t p o t a s s i u mf e r r a t e ( k 2 f e 0 4 ) i sak i n do fn e wa n d m o l ee f f e c t i v et r e a t m e n t ；i th a sa g o o do x i d a t i o nd e c o n t a m i n a t i o ne f f e e t i v e n e s s o ft h e c o a g u l a t i o na n de x c e l l e n t c o a g u l a n t , e x c e l l e n tf l a v o rd e o d o r a n tf r o mt h es t e r i l i z a t i o na n de f f i c i e n tf u n c t i o n i n t h ep r o c e s so fw a t e rt r e a t m e n t , k 2 f e 0 4d o e sn o tr e a c t 、i mo r g a n i cc o m p o u n d s ，s oi t d o e sn o tp r o d u c et h en e w p o l l u t a n t sl i k eo r g a n o c h l o r i n e ，m e a n w h i l e ，i td o e sn o tc a u s e s e c o n d a r yp o l l u t i o na n da n yo t h e rs i d ee f f e c t , t h e r e f o r e ，i ti s c a l l e dg r e e nw a t e r t r e a t m e n ta g e n t 1 1 1 en a t i o n a lm i n i n gq u a n t i t yw a s16 - - 。18t e nm i l l i o nt o ne v e r yy e a r , m i n ew a t e r d i s c h a r g e i sa b o u t2 2t e nm i l l i o nt o n , a v e r a g eu t i l i z a t i o nr a t ei sl o w e rt h a n5 0 a sf a r a sh u a i n a nm i n i n ga r e ai sc o n c e r n e d , n l i n eh y d r a u l i cd i s c h a r g ei s17 8 7m i l l i o nt o l l u t i l i z a t i o nr a t ei s4 4 ，d i s c h a r g er a t ei s5 6 ，d i s c h a r g ei s3 8k i l o t o np e rt e n sk i l o t o n c o a l b u tm o s to ft h eu t i l i z e dm i n ew a t e ri su s e dt ow a t e r i n ga n dl o w e r i n gd u s ta t u n d e r g r o u n d ,c o n t r o l l i n gs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fc o a lg a n g u e ，g r e e n i n ga n d w a s h i n gt o i l e to ni n d u s t r ys q u a r e t h e r e f o r e ，a u t h o rs t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yc o a g u l a t i o n , o x i d a t i o na n ds t e r i l i z a t i o no fp o t a s s i u mf e r r a t ei nt h em i n ew a t e rt r e a t m e n t , m e a n w h i l e ， c o n s i d e r e d c o m p r e h e n s i v e l y o fe c o n o m i c b e n e f i t s ， e n v i r o n m e n t a lb e n e f i ta n d t r e a t m e n te f f e c t , t h ep r o c e s so f “m o d i f i e df l ya s h + k 2 f e 0 4 一t i 0 2 ”w a su s e d ，w h i c hc a n t r e a tm i n ew a t e ri n t od r i n g k i n gw a t e r n es t u d yt h a tc o a g u l a t i o ne f f e c to fp o t a s s i u mf e r r a t eo nt h ec o a lm i n i n gw a t e r s h o w st h a tw h e nt h er a t eo fp o t a s s i u mf e r r a t ea n ds u s p e n d e ds u b s t a n c ei so 7 3 ，t h e r e m o v a lr a t eo ft u r b i d i t ya n ds u s p e n d e ds u b s t a n c ei so v e r9 4 b u tt h ec o n t e n to f s u s p e n d e ds u b s t a n c ei sh i g i l ，w h i c hm a k e st h ed o s a g eo fp o t a s s i u mf e r r a t et o om u c h a n dr e s u l t st ot h ec o s tt o oh i g h , s ot h em i n ew a t e rm u s tb ep r e t r e a t e db yf l ya s hf i r s t l y w h e nu s i n gt h ep r o c e s st oc a l t ys m a l le x p e r i m e n t , t h ee f f l u e n tq u a l i t yw a sb e t t e rt h a n e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d s f o 广s u r f a c ew a t e r ( ) p o t a s s i u mf e r r a t e ( k 2 f e 0 4 ) w a su s e dt ot r e a tc o d e ri nm i n ew a t e r , a n dt h e r e s u l t sw e r eu s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h eo x i d i z a b i l i t yo fp o t a s s i u mf e r r a t e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo x i d i z a b i l i t yo fp o t a s s i u mf e r r a t ew a sr a t h e rd i f f i c u l tt o b r i n gi n t of u l lp l a yi na c i d i cc o n d i t i o n s ，b u tp l a yb e t t e rw h e np hw a s7t o 10 m h a r d n e s s 、s 0 4 z 。a n dl o wc o n c e n t r a t i o ns o d i u m ( 3 0 m g l ) w a sa b l e t os l i g h t l yi n c r e a s et h er e m o v a le f f i c i e n c yo no r g a n i cm a r e r t h eo r t h o g o n a lt e s tw a su s e dt os t u d yt h eb a c t e r i c i d a lc a p a b i l i t yo fp o t a s s i u m f e r r a t ea n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rb a c t e r i aa n de s c h e r i c h i ac o l iw h e np o t a s s i u m f e r r a t ew a sp l a y i n gc o a g u l m i o ne f f e c to nt r e a t i n gm i c r o p o l l u t e dw a t e r t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eo r d e ro ft h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yf a c t o r sa f f e c t i n gt h eg e r m i c i d a l e f f i c a c yo fp o t a s s i u mf e r r a t ew a so x i d a t i o nt i m e ，r e a g e n ta m o u n ta n dp hv a l u e w h e n p hv a l u ei s8 ，o x i d a t i o nt i m ei s3 0 m i na n dr e a g e n ta m o u n ti s2 5 m g l ，t h ek i l l i n gr a t e o fb a c t e r i aa n de s c h e r i c h i ac o l ii sr e s p e c t i v e l y9 9 7 5 a n d10 0 ，m e a n w h i l e ，t h e r e m o v a lr a t eo ft u r b i d i t ya n ds u s p e n d e ds u b s t a n c ei sr e s p e c t i v e l y8 4 4 a n d8 3 3 p o t a s s i u mf e r r a t e ( k 2 f e 0 4 ) w a su s e dt os t u d yt h er e m o v a le f f e c to fh e a v ym e t a l s o fd i f f e r e n ts p e c i e sa n dd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n si nm i n ew a t e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a t p hh a dg r e a ti n f l u e n c eo nr e m o v i n gh i g h c o n c e n t r a t i o no fp b ，c d ，f e ，z n ，m na n dc ui n m i n ew a t e r t h er e m o v a lm t ew a sc o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g 、 ，i t l lt h ei n c r e a s i n go fp h b u tl o w g ri na c i d i cc o n d i t i o n s p h ，s u s p e n d e dm a t t e ra n d ，t u r b i d i t y , f l u o r i d e ，p a r t i a lh e a v ym e t a l ，c o d m i l ，t o t a l c o l i f o r mg r o u p s ，t o t a lc o l o n yc o u n t sa n dp e t r o l e u ma n ds oo na r ei n v e s t i g a t e da f t e r t r e a t e db yt h ep r o c e s so f m o d i f i e df l ya s h + k 2 f e 0 4 一t i 0 2 ”，t h er e m o v a la n d d e g r a d a t i o nr e s u l t so f t h ei n d e x e sw h i c he x c e e dt h es t a n d a r d sa r ea l s ov e r ys a t i s f a c t o r y , a n dt h eq u a l i t yo ft h ew a t e rt r e a t e db yt h en e wt e c h n i q u ec a nm e e tt h en a t i o n a lh e a l t h s t a n d a r d sf o ，- d r i n k i n gw a t e rq u a l i t y ( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) ，a n da l s om e e tt h er e q u i r e so f w a t e rq u a l i t ys t a n d a r d sf o ，f i n ed r i n k i n gw a t e r ( c j9 4 - 2 0 0 5 ) t h ea n a l y s i so ft h e s t a b i l i t i e so ft h ee x p e r i m e n t sa n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t so ft h et e c h n i q u es h o w st h e e f f e c t so ft h en e wt e c h n i q u ea r ev e r ys a t i s f a c t o r y , a n di th a sag o o dp r o s p e c tf o r p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n f i g u r e3 6 t a b l e3 7r e f e r e n c e14 7 k e yw o r d s ：p o t a s s i u mf e r r a t e ；c o a l m i n ew a t e r ；c o a g u l a t e ；f l ya s h ；n a n o - t i 0 2 ； p h o t o c a t a l y s i s ；s e m i - e x p e r i m e n t a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 7 0 3 1 i v 插图清单 插图清单 图l 技术路线3 图2f e ( v i ) 的存在形式4 图3 高铁酸钾投加量对矿井水絮凝效果的影响2 9 图4 不同p h 值对高铁酸钾混凝效果的影响3 l 图5 温度对高铁酸钾混凝效果的影响3 2 图6 高铁酸钾和聚合氯化铝混凝效果对比3 4 图7 粉煤灰改性步骤3 7 图8 粉煤灰( 原灰) 的混凝效果3 9 图9 改性粉煤灰的混凝效果4 0 图l o 粉煤灰改性前后处理效果对比4 l 图1 1 改性粉煤灰掺杂高铁酸钾后的混凝效果4 2 图1 2 高铁酸钾对低浊度矿井水的混凝效果4 3 图l3p h 对高铁酸钾氧化性的影响5l 图1 4 高铁酸钾投加量对c o d c ，去除效果的影响5 2 图1 5 温度对高铁酸钾氧化性的影响5 3 图1 6n a 对高铁酸钾氧化性的影响5 4 图1 7 硬度对高铁酸钾氧化性的影响5 5 图1 8s 0 4 2 。对高铁酸钾氧化性的影响。5 5 图1 9 投药量、p h 值和氧化时间对杀菌效果的影响5 8 图2 0 矿井水中放大4 0 0 倍的大肠杆菌图6 0 图2 l 高铁酸钾对铅的去处效果“ 图2 2 高铁酸钾对镉的去处效果6 6 图2 3 高铁酸钾对铁的去处效果6 7 图2 4 高铁酸钾对锰的去处效果6 9 图2 5 高铁酸钾对铜的去处效果7 0 图2 6 高铁酸钾对锌的去处效果7 1 图2 7 潘三矿矿井水处理工艺流程图7 3 图2 8 矿井水制备成优质饮用水的：r = 艺流程图7 7 图2 9 光催化装置图7 7 图3 0 工艺对矿井水p h 值的影响7 9 i x 安徽理工大学硕十学位论文 图3 0 对浊度的去除效果。8 0 图3 1 对悬浮物的去除效果8 1 图3 2 对c o d 的去处效果。8 2 图3 3 对重金属的去处效果8 4 图3 4 对石油类的去处效果8 5 x 附表清单 附表清单 表l 高铁酸钾水解速率常数表1 0 表2 常见氧化剂和杀菌灭藻剂的氧化还原电位1 6 表3 淮南潘三煤矿矿井原水水质分析表。2 8 表4 高铁酸钾对矿井水的混凝效果2 9 表5 高铁酸钾不同p h 值下对矿井水的混凝效果。3 0 表6 高铁酸钾加入前后p h 值对比3l 表7 快速搅拌条件下p h 值的变化情况3 3 表8 不同絮凝时间对浊度的去除效果3 3 表9 淮南潘三电厂粉煤灰化学成分3 8 表1 0 淮南潘三电厂粉煤灰物理性质3 8 表1 l 淮南潘三煤矿矿井原水水质分析表( 部分) 3 8 表1 2 粉煤灰( 原灰) 和改性粉煤灰的混凝结果3 9 表13 改性粉煤灰掺杂高铁酸钾后的混凝结果4 2 表1 4 高铁酸钾对低浊度矿井水的混凝结果4 3 表15 水质分析结果( 部分) 单位：m g l 4 5 表1 6 正交设计因素水平表4 9 表l7 潘三煤矿矿井水水质分析表5 0 表l8 矿井水沉淀后水质分析表5 0 表1 9p h 对高铁酸钾氧化性的影响二5 0 表2 0 高铁酸钾投加量对c o d c r 去除效果的影响5 2 表2 l 高铁酸钾杀灭细菌的试验结果5 6 表2 2 试验方案及试验结果分析5 7 表2 3 验证试验结果分析表5 9 表2 4 高铁酸钾对总人肠菌群的去除效果5 9 表2 5 淮南潘三矿矿井水沉淀后水质分析表6 2 表2 6 高铁酸钾对铅的去处效果6 3 表2 7 高铁酸钾对镉的去处效果6 5 表2 8 高铁酸钾对铁的去处效果6 7 表2 9 高铁酸钾对锰的去处效果6 8 表3 0 高铁酸钾对铜、锌的去处效果7 0 x i - 安徽理t ：人学硕士学位论文 表31 工艺运行过程中的p h 变化7 8 表3 2 工艺运行过程中的浊度和悬浮物变化8 0 表3 3 对c o d 和石油类的去除效果。8 2 表3 4 对重金属的去除效果8 3 表3 5 对微生物的杀灭效果8 6 表3 6 水质分析结果( 部分) 。8 7 表3 7 水质中微量有机物的分析表8 9 x l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徼理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：立坠绰日期：趁牛年月血日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：克j 专- 牟 签字日期：加f 年6 月，。日 导师签名： 料嗍p 呻 1 绪论 1绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 课题研究的目的 高铁酸钾是一种新型的绿色水处理剂，但是还没有应用在矿井水中的报道， 本研究结合高铁酸钾的性质，确定出高铁酸钾多阶段( 反应、絮凝、沉降、消毒 等) 和多效( 混凝剂、氧化剂、除色剂、除臭剂、除放射性剂、消毒剂) 处理煤 矿矿井水的机理及效果，找出最佳的应用条件，为高铁酸钾的应用开辟一条新的 道路。 高铁酸钾氧化能力强，但是在矿井水中复杂因素的影响下，其氧化性会受到 何种影响还不确定；以往对高铁酸钾杀菌消毒能力的研究，也只是仅仅针对细菌 或病毒的杀菌效果，在受污染水中大量污染物存在的状态下，发挥杀菌消毒能力 的研究还未发现：本文将在这些方面作系统研究，同时考察高铁酸钾氧化混凝去 除矿井水中不同种类和不同浓度重金属的效果，为高铁酸钾的应用研究打下一定 的理论基础。 针对矿井水这种特殊类型的废水，结合高铁酸钾处理矿井水的状况，使高铁 酸钾与其它水处理剂科学配比，形成一种在经济上和技术上都切实可行的矿井水 处理新工艺，使矿井水达到高级利用的目的。 1 1 2 课题研究的意义 煤炭是我国的主要能源，在我国一次性能源消费结构中占7 0 左右，而且在 今后相当长的时期内不可能发生太大的变化。而我国煤炭生产中，每年排出矿井 废水达2 2 亿吨，利用率2 0 左右，绝大部分矿井水直接或经简单絮凝沉淀处理 后排入地表水体。当前，一方面很多矿区严重缺水，而另一方面又有大量矿井水 白白浪费掉。排放到地表水体的矿井废水无疑对地表水环境造成严重污染。这种 状况与煤矿洁净生产以及资源循环利用相悖。因此矿井水的资源化利用越来越受 到关注。特别是在我国，沿矿而建的城市比较普遍，城市居民以及矿区周边农村 对直接饮用水的需求量越来越大，着眼于矿井水的饮用水开发，具有广阔的发展 前景，也是煤矿发展循环经济的重要组成部分。 高铁酸钾作为一种新型的多功能水处理剂，在矿井水方面的应用还没有相关 的研究报道。通过此项研究，可以为高铁酸钾的应用开辟一条新的道路，也会推 安徽理。r ：入学硕士学位论文 动更广泛地开展高铁酸钾新型水处理剂的应用研究。粉煤灰也是环境的一大污染 物，该工艺的应用，可以用粉煤灰以废治废，变废为宝，使资源得到合理的应用。 近年来，传统饮用水处理技术的改进和深度处理的迅猛发展，使优质饮用水 成为可能，但在考虑到处理效果是否良好，能否引起二次污染，是否具有残余消 毒能力，价格是否低廉等因素时，往往不能获得令人满意的效果，如何将现有工 艺组合，扬长避短，得到清洁、高效、廉价的工艺，是今后饮用水处理的方向所 在。本研究正是此基础上，研究了一种新的绿色水处理工艺，为该工艺的推广应 用提供了重要的参考价值和理论依据。 本课题是在安徽省自然科学基金( 名称：矿井废水可饮用化研究，编号： 0 7 0 4 1 4 1 6 8 ) 和安徽省高等学校省级自然科学基金( 名称：处理污水后的粉煤灰污 泥资源化技术及应用研究，编号：2 0 0 7 a 0 7 0 ) 的资助下完成的。 1 2 研究的主要内容和技术路线 1 2 1 研究的主要内容 选择一个代表性的矿井( 潘三矿) ，对其矿井水原水水质及污染状况指标进行 检测( 如p h 值、悬浮物、c o d 、微生物指标，重金属和放射性等) 。取矿井水样 进行室内试验研究，包括： 溶液的p h 值对高铁酸钾( k 2 f e 0 4 ) 稳定性的影响；找出高铁酸钾具有最高氧 化性的溶液p h 值范围： 根据不同温度、氧化时间、絮凝时间和搅拌条件下，考察高铁酸钾对矿井 水的混凝氧化效果，确定最佳反应条件，并找出最佳用药量； 研究高铁酸钾对c o d 的去除效果，同时考察矿井水中部分离子成分 ( s 0 4 2 。、c a 2 + 、n a 等) 对高铁酸钾氧化性的影响，确定最佳反应条件； 研究高铁酸钾去除污染物的同时其杀菌消毒能力发挥效果，特别是对矿井 水中大肠杆菌和细菌的灭活效率，找出最佳杀菌效果条件； 研究高铁酸钾对矿井水中不同种类和不同浓度重金属的去除效果，同时考 察高铁酸钾在不同p h 条件下的对重金属的去除效果。 进行高铁酸钾的氧化与混凝协同作用去除矿井水中有机污染物的种类及效 果研究：找出残留的有机或高分子污染物种类及含量； 研究粉煤灰的改性效果，确定改性粉煤灰与高铁酸钾的配比条件及效果。 进行纳米面0 2 的改性、制备和负载，并在矿区进行“粉煤灰+ k 2 f e 0 4 币0 2 ” 2 1 绪论 矿井水处理系统的中试试验，完善各项工艺条件及参数，全面检测出水水质。 1 2 2 研究的技术路线 根据安徽省自然科学基金项目和安徽省高等学校省级自然科学基金项目的研 究目标，本课题的技术路线如下： 图1 技术路线 f i g 1t e c h n i c a lr o u t e 3 安徽理t 人学硕士学位论文 2 高铁酸钾的研究进展与矿井水处理现状 2 1 绿色水处理剂高铁酸钾 2 1 1 高铁酸钾的性质 高铁酸钾在1 7 0 2 年被德国化学和物理学家g e o r gs t a h l 首次发现，在1 8 9 7 年 在实验室被首次合，而自2 0 世纪7 0 年代以来，作为新型水处理剂逐渐为人们所 重视。 高铁酸钾的分子式为k 2 f e 0 4 ，是一种黑紫色有光泽的晶体粉末，干燥的高铁 酸钾在常温下可以在空气中长期稳定存在，1 9 8 以上开始分解放出氧气，在水溶 液中或者含有水分时很不稳定，极易分解，其水溶液呈紫红色。在晶体中，f e 0 4 2 离子呈略有畸变扭曲的空间四面体结构【1 1 ，铁原子位于四面体的中心，四个氧原 子位于四面体的四个顶角上，而且这四个氧原子在动力学上是等价的。高铁酸钾 晶体属于正交d k 2 f e 0 4 晶系，与硫酸钾、高锰酸钾、铬酸钾等有相同的晶型1 2 j 。 在水溶液中，它的四个氧原子等价，慢慢地与水分子中的氧原子进行交换而逐渐 分解放出氧气【3 l ，并析出具有高度吸附活性的絮状氢氧化铁，其反应为： 4 k e f e o4 + 1 0 h e o = 4 f e ( o i - i ) 3 + 8 k o h + 3 0 2 1 ( 2 - 1 ) r u s h 等在2 3 、0 0 2 5 m o l l 的磷酸盐或硝酸盐缓冲溶液中，研究了高铁酸钾 的光谱和动力学性质【4 】，发现存在着f e ( v i ) 的三个质子形态( 见图2 ) 。由图2 可 以看出，在整个p h 范围内有f e ( v i ) 的四种形式，在p h 3 时，以h 3 f e 0 4 + 和h 2 f e 0 4 为主，在p h = 3 7 5 时，以h f e 0 4 。和h 2 f e 0 4 为主，在碱性范围内，以h f e 0 4 。和 f e 0 4 2 。为主。 州 图2f e ( v i ) 的存在形式 f i g 2s p e c i a t i o no ff e ( v i ) 4 2 高铁酸钾的研究进展与矿_ 井水处理现状 高铁酸钾在水中分解时，f e ( v i ) 并不直接转化为f e ( 1 1 1 ) ，而是经历了由六价 到三价不同电荷离子的中间形态的演变，而且f e ( v i ) 还原成f e ( i i i ) 过程中产生正 价态的水解产物【5 1 ，这些水解产物可能具有比三价铝、三价铁等水解产物更高的 正电荷及更大的网状结构，各种中间产物在f e ( v i ) 还原成f e ( i i i ) 过程中产生聚合 作用，生成的f e ( i i i ) 很快形成f e ( o n ) 3 胶体沉淀，这种具有高吸附活性的絮状胶 体，可以在很宽的p h 值范围内吸附絮凝大部分阴阳离子、有机物和悬浮物。 k 2 f e 0 4 在水溶液中极易溶，而在非水溶液中不溶。在不同浓度的l i o h 、 n a o h 、k o h 和c s o h 等碱性氢氧化物电解质中的溶解度都不大【6 l 。在含有 b a ( o h ) 2 的k o h 电解质中可以获得低溶解度的k 2 f e 0 4 ，并且k 2 f e 0 4 溶解度均随 着b a ( o i 如浓度的增大而减小；在高浓度的氢氧化物如k o h 和c s o h 中，k 2 f e 0 4 的溶解度很小：但k 2 f e 0 4 在l i o h 、n a o h 中有相对较高的溶解度。高铁酸钾不 溶于常见的有机溶剂，它能悬浮在醚、氯仿、苯等有机溶剂中而不会有明显的分 解现象。它不溶于含水量低于2 0 的乙醇，当含水量超过2 0 时，醇会迅速被氧 化，生成醛和酮。高铁酸钾中铁为+ 6 价，属于高氧化态，同时也是铁的不稳定价 态，高铁酸钾在整个p h 范围内都具有极强的氧化性，在酸性和碱性溶液中电对 的标准电极电位分别为2 2 0 v 和0 7 2 v 1 7 1 ，相应的电极反应如下： 凡讲一+ 8 h + + 3 e 一= f e 3 + + 4 h 2 0 ( 2 2 ) ，匆研一+ 4 h 2 d + 3 e 一= f e ( o h ) 3 山+ 5 ) 日一( 2 - 3 ) 在强碱性溶液中较稳定，但也会缓慢分解，其反应为： 4 f e 0 4 z + 2 h 2 0 = 4 f e 0 2 + 4 0 h - + 3 0 2 t( 2 _ 4 ) 其电极电位明显高于电对m n ( v i i ) m n ( i v ) 及c r ( v i ) c r ( i i i ) 相应的标准电极电 位( e o ( m n 0 4 - m n 0 2 ) - - 1 6 7 9 v ，p h = l 时，e o ( m n 0 4 - m n 0 2 ) - - o 5 8 8 v ，p h = 1 4 时； e o ( c r 2 0 7 2 c r 3 + ) = 1 3 3 v ，酸性介质，e o ( c r 2 0 7 2 c r ( o r 0 3 ) = 一0 1 2 v ，碱性介质) ， 可见，高铁酸钾是比高锰酸钾和重铬酸钾更强的氧化剂，它可以氧化苯甲醇、脂 肪醇、苯酚、苯胺、苄胺、硫醇、1 , 4 氧硫杂环己烷、甚至烃类等有机化合物及 硫化物、氨、氰化物等无机化合物【g , 9 1 。 2 1 2 高铁酸钾的制备方法 目前国内外报道的高铁酸钾制备方法主要有三种1 0 】：次氯酸盐氧化法、高温 氧化法、电解法。 2 1 2 1 次氯酸盐氧化法 次氯酸盐氧化法根据反应步骤又分为一步法和两步法。两步法又称为湿法， 5 安徽理t 大学硕十学位论文 是目前使用最多，技术和工艺最为成熟的方法。该法是以次氯酸盐和铁盐为原料， 在碱性溶液中反应，生成高铁酸钠，然后加入氢氧化钾，将其转化成高铁酸钾。 由于高铁酸钠在氢氧化钠浓溶液中的溶解度较高，故可从中分离出高铁酸钾晶体。 反应原理如下： 2 f e c l 3 + 10 n a o h + 3 n a c l 0 - - 2 n a 2 f e 0 4 + 9 n a c i + 5 h 2 0( 2 5 ) n a 2 f e 0 4 + 2 k o h k 2 f e 0 4 + 2 n a o h( 2 6 ) 该方法于1 9 5 0 年由h r o s t o w s k i 和s c o t t j 提出，采用该法制得的产品纯度可达 到9 6 9 ，但产率很低，不超过1 0 , - - , 1 5 。t h o m p o s n 等【1 2 】对上述方法从制备 与纯化两个过程进行了改进，以硝酸铁为铁源原料，对粗产品依次用苯、乙醇、 乙醚洗涤处理，产品纯度保持在9 2 - 9 6 ，产率提高到4 4 - - 7 6 。相对来说， 次氯酸盐法生产成本较低，设备投资少，可制得较高纯度的高铁酸钾晶体，但存 在设备腐蚀严重，对环境污染较大等问题。 目前，国内外关于高铁酸钾制备的报道大多以t h o m p o s n 等提出的制备方法 为基础，针对某些环节的具体问题提出了一些改进措施。如王善杨等【l3 1 在制备过 程中加入少量n a 2 s i o y 9 h 2 0 、c u c l 2 2 h 2 0 等稳定剂，以防止制备液中高铁酸钠分 解。张军等1 1 4 l 针对制备过程中粗产品与母液难于分离这一实际问题，通过采用强 制高速离心初分再用砂芯漏斗抽滤的办法较好地解决了这个问题，提高了时效和 产率，产率达6 0 7 6 。此外，中国科学院田宝珍等【i5 】探索了利用湿法制备高 铁酸钾晶体后的残留母液制取次氯酸盐混合溶液，并采用该混合溶液氧化 f e ( i i i ) - , f e ( v i ) 的方法，这种方法可制得纯度达9 0 以上的高铁酸钾晶体。他们 还采用钾钠混合碱法制得了更高浓度的次氯酸盐溶液，使铁盐溶液氧化反应快速 完成，所得溶液比较稳定，过滤操作方便快捷，同时大大提高了f e ( i i i ) - - f e ( v i ) 的转化率和产率，而且回收利用了废碱液，降低了生产成本。 一步法是w i l l i a m s 和r i l e y 对在湿法基础上的较大改进【1 6 】，他们将氯气通入 氢氧化钾溶液中制得饱和次氯酸钾溶液，用它氧化f e ( i i i ) 为f e ( v i ) ，这样就绕过 了中间产物高铁酸钠而直接制得高铁酸钾。同时也简化了纯化步骤，提高了时效 和产率，产率在7 5 以上，但纯度有所降低( 8 0 - - 9 0 之间) 。l i o n e l 等在此基 础上做了进一步改进，他们没有改变上述反应体系，而是在制备与纯化工艺上进 行了优化，使之与前述其他制法相比更快速高效，明显缩短了沉降、过滤和沈涤 所需时间，同时也减少了纯化工艺中有机溶剂的用量，产率达6 7 - - 8 0 ，纯度 高达9 7 - - 9 9 。另有报道旧，采用次氯酸盐法可成功地从电镀废水中制得高铁 酸钾及其他絮凝物质。利用这种方法处理含铁电镀废水，既可有效利用铁资源又 6 2 高铁酸钾的研究进展与矿井水处理现状 能消除其对环境的污染，开辟了废料综合利用，以废治废的新途径。 2 1 2 2 电解法 电解法制备高铁酸钾是通过电解以铁为阳极的碱性氢氧化物溶液来实现的 b s 。反应式如下： 阳极反应： f e + 8 0 h = f e x o y n h 2 0 = f e 0 4 2 _ + 4 h 2 0 + 6 e( 2 7 ) f e ”+ 8 0 h | f e x o y n h 2 0 = f e o - + 4 h 2 0 + 3 e ( 2 8 ) 阴极反应： 2 h 2 0 = h 2 + 2 0 h 。- 2 e ( 2 - 9 ) 总反应： f e + 2 0 h + 2 h 2 0 = f e 0 4 z + 3 i - 1 2( 2 10 ) f e 3 + + l o o h - _ f e o - + 3 h 2 + 2 h 2 0( 2 - 1 1 ) f e 0 4 2 - + 2 k + = k 2 f e 0 4( 2 - 12 ) 已经发现电流密度、阳极组成和类型以及电解液碱的含量显著影响高铁酸盐 的产率。雷鹏举等【1 9 i 通过隔膜电解3 0 - 5 0 n a o h 溶液，并在阳极液中加入少 量特效活化助剂，阳极和阴极分别采用1 0 c m x 7 e m 的低碳钢板和金属镍板，外加 电压约为i o v ，控制适宜的电解时间和条件，可以获取高铁浓度为0 0 2 3 3 m o l l ， 总铁浓度为0 0 2 8 2m o l l 的复合药液，其中不含铁的固体形态。 电解法工艺的特点是：对原料和设备的要求较低，操作简单，不引入局外杂 质，副产物很少，所制初级产品的纯度较高，提纯方便。但是由于阳极氧化膜的 生成难以完全克服，因此电解法电流效率低( 5 0 ) ；再者随着阳极液中高铁酸钾 浓度的加大，高铁酸钾自分解的速度也相应加快，使得阳极液中高铁酸钾虽能达 到的最大浓度非常有限，而高铁酸钾的稀溶液现尚无适宜的方法进行浓缩处理； 此外，电解受温度、电流密度、阳极材料及电解槽结构等条件影响比较大。 2 1 2 3 熔融法 熔融法又称干法，是一种古老的合成高铁酸盐的方法，都是采用过氧化物高 温氧化铁的氧化物制得高铁酸盐。e m a r t i n e z t a m a y o 等人在研究n a 2 0 2 f e s 0 4 反 应体系时发现在氮气流中于7 0 0 反应l 小时，得到产物高铁酸盐，反应式为： 2 f e s 0 4 + 6 - n a 2 0 2 - - * 2 n a 2 f e 0 4 + 2 n a 2 0 + 2 n a 2 s 0 4 + 0 2 r ( 2 1