张 娇， 辛言君， 柴 超

(青岛农业大学 资源与环境学院，青岛市农村环境工程研究中心，山东 青岛 266109)



高铁酸盐在线制备及应用的实验设计

张 娇， 辛言君， 柴 超

(青岛农业大学 资源与环境学院，青岛市农村环境工程研究中心，山东 青岛 266109)

设计了湿法在线制备高铁酸盐并应用于亚甲基蓝染料废水处理的特种废水处理课程实验。研究了废水pH、停留时间和高铁酸盐投加量对废水脱色效果的影响，从而获取高铁酸盐处理亚甲基蓝废水的最优运行参数。结果表明，最佳运行参数为：pH 2～3，停留时间30 min，高铁酸盐与亚甲基蓝总量的比例1 mL∶15 g。最佳运行条件下，高铁酸盐对浓度50 mg/L的亚甲基蓝废水的脱色率为87%。该实验对训练学生创新思维，提高学生分析问题、解决问题的能力发挥重要作用。

高铁酸盐； 在线合成； 次氯酸盐氧化法； 实验设计； 染料废水

0 引 言

高铁酸盐是一种氧化能力极强的六价铁化合物，其氧化还原电位高于常见的氧化剂臭氧、高锰酸盐和次氯酸盐，可以同时满足杀菌消毒、氧化有机物及混凝助凝等多种需要，被认为是绿色环保的新型污水处理剂，在水处理中具有广阔的应用前景[1-3]。但是，由于高铁酸盐提取率低和贮存时间短等原因使得高铁酸盐难于大规模工业生产，加之高铁酸盐制备成本较高，且高铁酸盐不稳定，在水溶液或潮湿环境中极易分解，使其推广应用受到限制[4-6]。在线制备省略了盐析、离心、抽滤、洗涤干燥等纯化操作，能避免提纯再溶解这一重复工作造成的药剂和能量的浪费，也克服了高铁酸盐难于贮存的缺点，使高铁酸盐的实际应用成为可能[7]。高铁酸盐的制备方法主要有熔融法、次氯酸盐氧化法、电解法等[8-9]，其中制备方法简单、易于实现，是实验室常用的方法[10]。本文介绍高铁酸盐在线制备方法，并将这一方法引入“特种废水处理”的实验教学中，用于染料废水处理，使实验教学与科研有机结合，增强学生实验设计、分析及创新能力的培养[11-12]。

1 高铁酸盐的制备原理

实验采用湿法氧化法在线制备高铁酸盐，湿法氧化法又称次氯酸盐氧化法，其制备方法为先将三价铁盐溶于浓碱中制备氢氧化铁，然后用次氯酸盐将氢氧化铁氧化制得高铁酸盐[13]，其反应化学方程式为[14]：

Fe3++3NaOH=Fe(OH)3+3Na+

Fe(OH)3+3NaClO+4NaOH=

2Na2FeO4+3NaCl+5H2O

Fe3++3NaClO+10NaOH=

2Na2FeO4+3NaCl+6Na++5H2O

仪器及试剂 ：

(1) 试剂。次氯酸钠(10%)、硝酸铁(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)、盐酸、亚甲基蓝(分析纯)。

(2) 仪器。恒温磁力加热搅拌器(85-2型)、分析天平(TG328B型)、台式低速大容量离心机(L550)、可见分光光度计(722E型)、恒温振荡器(SH2-82)、六连搅拌器。

2 实验步骤

(1)亚甲基蓝标准曲线的绘制。配制亚甲基蓝标准溶液(浓度为50 mg/L)，分别移取1、2、3、4、5、6 mL于50 mL比色管中，用蒸馏水定容到刻度线后混匀。用可见分光光度计(722E型)，在664 nm波长处测定吸光度，绘制标准曲线，典型结果见图1。

图1 亚甲基蓝标准曲线

(2)高铁酸盐的制备。将25.0 mL有效氯大于10%的NaClO溶液置于250 mL的干燥锥形瓶中，再加入5.0 g氢氧化钠，于磁力搅拌器上不断搅拌，直至固体氢氧化钠充分溶解，冷却到室温后，缓慢少量多次地加入10 g硝酸铁，继续搅拌10 min，得紫色稠液，即为高铁酸盐混合溶液，冰箱中冷藏备用。

(3)pH对亚甲基蓝废水处理效果的影响。取5份300 mL浓度为50 mg/L的亚甲基蓝标准溶液于500 mL烧瓶中，分别用氢氧化钠和盐酸溶液调节水样初始pH分别为2、4、6、8、10，将1 mL高铁酸盐混合液投加于调节好的水样中，水样置于恒温振荡器(SHZ-82型)中，以180 r/min转速，调节温度至20 ℃，振荡30 min后取样，测定水样中剩余亚甲基蓝浓度，计算亚甲基蓝去除率。绘制不同pH值与亚甲基蓝去除率关系曲线，分析pH值对亚甲基蓝去除效果的影响，求出最佳pH。

(4)停留时间对亚甲基蓝废水处理效果的影响。取1份300 mL浓度为50 mg/L的亚甲基蓝标准溶液于500 mL烧瓶中，分别用氢氧化钠和盐酸溶液调节最佳pH，将1 mL高铁酸盐混合液的投加于调节好的水样中，水样置于恒温振荡器(SHZ-82型)中，以180 r/min转速，调节温度至20 ℃，分别在10、20、30、40、50、60 min时取样，测定水样中剩余亚甲基蓝浓度，计算亚甲基蓝去除率。绘制停留时间与亚甲基蓝去除率关系曲线，分析停留时间对亚甲基蓝去除效果的影响，求出最佳停留时间。

(5)高铁酸盐投加量对亚甲基蓝废水处理效果的影响。取5份300 mL浓度为50 mg/L的亚甲基蓝标准溶液于500 mL烧瓶中，将溶液pH调到最佳pH值，分别投加0.4、0.6、0.8、1.2、1.4 mL高铁酸盐混合溶液于水样中，水样置于恒温振荡器(SHZ-82型)中，以180 r/min转速，调节温度至20 ℃，停留时间选用步骤(4)所得停留时间，取下水样测定水样中亚甲基蓝浓度，计算亚甲基蓝去除率。绘制高铁酸盐投加量与亚甲基蓝去除率关系曲线，获得最佳高铁酸盐投加量。

3 实验结果与分析

(1)pH对亚甲基蓝废水处理效果的影响。从图2可见，pH对亚甲基蓝去除率有显著影响，当pH>4时，亚甲基蓝去除率在40%左右，随着酸性的增强，亚甲基蓝去除率明显增加；当pH=3时，亚甲基蓝的去除率达到80%；当pH<3，亚甲基蓝的去除率略有增加，但增加并不明显。因此，高铁酸盐在处理亚甲基蓝废水的最佳pH为2～3。该结论和俞超等[15]的高铁酸盐处理活性染料和分散染料的结果不同，可见，染料性质不同，高铁酸盐处理染料废水的最佳pH范围不同。

图2 pH对亚甲基蓝处理效果的影响

(4)停留时间对亚甲基蓝废水处理效果的影响。调节废水pH值为2，研究高铁酸盐与亚甲基蓝废水的反应时间与亚甲基蓝去除率的关系，实验结果如图3所示。由图3可见，亚甲基蓝的去除率随着停留时间的延长而增加，在停留时间10～30 min，亚甲基蓝去除率增加速度较快，在30 min时，亚甲基蓝去除率达到87%，此后，亚甲基蓝去除率随着停留时间的变化略有上升，但上升并不明显，考虑经济、技术条件，认为30 min为最佳的停留时间。

图3 停留时间对亚甲基蓝处理效果的影响

(5)高铁酸盐投加量对亚甲基蓝废水处理效果的影响。调节废水pH为2，高铁酸盐与亚甲基蓝反应时间30 min，改变高铁酸盐的投加量，研究高铁酸盐投加量与亚甲基蓝去除率的关系，典型实验结果见图4。由图4可见，亚甲基蓝去除率随着高铁酸盐投加量的增加而增加，当高铁酸盐投加量为1 mL时，亚甲基蓝去除率为87%，此后随着高铁酸盐投加量的增加，亚甲基蓝去除率上升并不明显，因此，认为投加量为1 mL为最佳投加量，此时高铁酸盐与亚甲基蓝总量的关系为1 mL∶15 g。

图4 高铁酸盐投加量对亚甲基蓝处理效果的影响

4 结 语

本实验是青岛农业大学环境工程专业大三下学期特种废水处理技术课程实验题目之一，实验学时为4 h。高铁酸盐在污水处理中还停留在实验阶段，该技术在实际工程中应用除了优化提取和保存方法外，更主要的是工程设计和运营技术人员的认识和大胆创新。引入本实验作为本科生实验题目之一，通过实验，使学生掌握如何通过实验设计获得所需的设计参数，学会思考问题，加强对学生动手能力的培养；同时也和同学科研能力挂钩，使学生掌握如何将科研成果应用于实际工程分析和设计过程中，训练学生创新思维，提高学生分析问题、解决问题的能力。

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Experiment Design for the On-line Preparation and Application of Ferrate

ZHANGJiao，XINYan-jun,CHAIChao

(Qingdao Engineering Research Center for Rural Environment, College of Resource and Environment, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

In order to strengthen the cultivation of the students' abilities on experimental design, analysis and innovation, an experiment for the course of special wastewater treatment is design. The experiment realizes on-line preparation of ferrate and applies it to wastewater treatment by Methylene blue. The effects by different pH, the residence times and ferrate dosages are studied, and the optimum operating parameters are obtained. The experimental results show that the optimum operating parameters are pH 2-3, the residence time 10-30 min, and the ferrate: Methylene blue=1 mL∶15 g. The decolorization rate of Methylene blue wastewater is 87% at the optimum operating condition. The experiment has some innovation, operability and practicability. The practice has proved that this experiment has an important effect on training students' creative thinking and improving students' ability of analyzing and solving problems.

ferrate; on-line preparation; the hypochlorite oxidation method；experimental design; dye wastewater

2015-11-23

国家自然科学基金项目(41301552)；青岛农业大学高层次人才科研基金项目(11103071007)；青岛农业大学应用型人才培养特色名校建设工程课程建设项目(XDSJP2013037)

张 娇(1973-)，女，辽宁沈阳人，副教授，主要从事污染物迁移及控制技术研究。

Tel.: 13455282207；E-mail: zhangjiao11@163.com

G 642.3

A

1006-7167(2016)08-0014-03