高錳酸鉀材料與方法

 1·材料與方法
    1.1試驗(yàn)水質(zhì) 
    以長(zhǎng)沙近郊某鎮(zhèn)給水站進(jìn)廠水為試驗(yàn)水，試驗(yàn)期間水質(zhì)參數(shù)：溫度為17.1～22.8℃，pH為7.14～7.72，CODMn為1.42～3.04mg/L，F(xiàn)e為1.16～1.54mg/L，Mn為1.00～1.13mg/L。
    1.2儀器與試劑
    儀器：DJ-6CS型精密六聯(lián)電動(dòng)攪拌機(jī)；pHSJ-3F型pH計(jì)。
    試劑：質(zhì)量濃度為15.8g/L的高錳酸鉀，投加質(zhì)量濃度為9.25mg/L；高錳酸鹽復(fù)合藥劑（PPC），采用北京精密單因子公司生產(chǎn)的固體粉末，使用時(shí)配成0.1g/L的溶液，投加質(zhì)量濃度為6mg/L；混凝劑使用1g/L的硫酸鋁〔Al2（SO4）3·18H2O〕溶液，投加質(zhì)量濃度（以Al2O3計(jì)）為6.89mg/L；蒸餾水錳加標(biāo)采用分析純級(jí)硫酸錳；用0.1mol/L的鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)進(jìn)水pH。
    1.3試驗(yàn)方法
    試驗(yàn)流程如圖1所示。    
                   
    1.3.1進(jìn)水pH對(duì)預(yù)氧化效果的影響
    考慮到出水對(duì)pH的要求，原水調(diào)節(jié)后的pH控制在5～9的范圍內(nèi)。預(yù)氧化劑投加后，試驗(yàn)水在DJ-6CS型精密六聯(lián)電動(dòng)攪拌機(jī)上中速（150r/min）攪拌10min完成預(yù)氧化過(guò)程，隨即投加混凝劑，在高速（250r/min）攪拌1min后慢速（50r/min）攪拌14min，靜沉15min后取上清液測(cè)定剩余鐵、錳含量。其中總鐵采用鄰二氮菲吸收光譜法測(cè)定；總錳采用過(guò)硫酸銨分光光度法測(cè)定；pH用pHSJ-3F型pH計(jì)測(cè)定。
    1.3.2預(yù)氧化時(shí)間對(duì)除鐵、錳效果的影響
    進(jìn)水不調(diào)節(jié)pH情況下，預(yù)氧化時(shí)間分為10、30、60、120min4個(gè)水平考察。試驗(yàn)步驟同1.3.1。
    1.3.3原水本底成分對(duì)預(yù)氧化除錳效果的影響
    以一定量分析純級(jí)硫酸錳向蒸餾水加標(biāo)的方式考察原水本底成分對(duì)預(yù)氧化效果的影響。在進(jìn)水不調(diào)節(jié)pH和預(yù)氧化時(shí)間為10min條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟同1.3.1。
    2·結(jié)果與討論
    2.1進(jìn)水pH對(duì)預(yù)氧化效果的影響
    進(jìn)水pH對(duì)預(yù)氧化效果的影響見(jiàn)圖2。
                   
    由圖2可知，以PPC做預(yù)氧化劑時(shí)，隨進(jìn)水pH的升高，出水中鐵含量變化不明顯，酸性及弱堿性環(huán)境有利于鐵、錳的去除。這是因?yàn)镻PC是一種以高錳酸鉀為核心，由多種組分復(fù)合而成的新型藥劑，其在酸性條件下的氧化能力較強(qiáng)（E0=1.70V），在對(duì)溶解性二價(jià)鐵、錳進(jìn)行徹底氧化的同時(shí)還能有效破壞包裹鐵、錳的有機(jī)物保護(hù)膜，并將裸露出來(lái)的二價(jià)鐵、錳氧化，最終以沉淀的形式使鐵、錳得到去除，自身同時(shí)被還原成錳的中間價(jià)態(tài)物質(zhì)，雖然堿性環(huán)境下PPC的氧化能力有所下降，但弱堿性條件有利于形成這種錳的中間價(jià)態(tài)物質(zhì)。這種具有大比表面積的新生物質(zhì)可以強(qiáng)化絮凝并與絮體結(jié)合形成大而密實(shí)的礬花，從而在沉淀過(guò)程中具有較好的沉降性能，提高了對(duì)鐵、錳的去除率。
    而以KMnO4做預(yù)氧化劑時(shí)，隨著進(jìn)水pH的升高，出水中鐵含量升高，錳含量先降低后又升高。這是因?yàn)镵MnO4的氧化能力及還原產(chǎn)物與環(huán)境pH有關(guān)：酸性條件下KMnO4的E0較高，氧化能力較強(qiáng)，與PPC類似，它能氧化有機(jī)物保護(hù)膜，使被包裹的二價(jià)鐵、錳裸露出來(lái)后與溶解態(tài)的二價(jià)鐵、錳一起被氧化，并最終以難溶鐵或錳的氧化物及氫氧化物形式析出。但酸性條件下KMnO4的還原產(chǎn)物為Mn2+，這使得出水中錳的含量較高，從而導(dǎo)致錳的去除率低但鐵的去除率卻接近100%。中性及堿性條件下，KMnO4的氧化能力較弱，但在中性環(huán)境中KMnO4的還原產(chǎn)物為難溶性MnO2，它以MnO（OH）2膠體的形式析出，而在弱堿性環(huán)境下，MnO（OH）2能通過(guò)離子置換去除Mn2+：
           
    新生態(tài)的Mn2O3又與MnO4-反應(yīng)生成MnO2〔9〕。MnO2對(duì)KMnO4氧化有機(jī)物的顯著催化作用也不容忽視。
    因此，在原水pH為7.14～7.72的范圍內(nèi)使用PPC及KMnO4預(yù)氧化強(qiáng)化混凝均能取得較好的鐵、錳去除效果。
    2.2預(yù)氧化時(shí)間對(duì)預(yù)氧化效果的影響
    預(yù)氧化時(shí)間對(duì)預(yù)氧化效果的影響見(jiàn)圖3。
            
    由圖3可知，預(yù)氧化時(shí)間對(duì)鐵去除效果的影響較小，但對(duì)錳的去除效果影響顯著。以PPC和KMnO4做預(yù)氧化劑，預(yù)氧化10min時(shí)，錳的去除率分別比未預(yù)氧化情況下提高75%和68%。但隨著預(yù)氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，PPC組中的鐵、錳去除效果呈減弱趨勢(shì)，預(yù)氧化120min后，鐵、錳的去除率分別降低至85.6%和64.1%。這可能是因?yàn)?，PPC在氧化水中二價(jià)鐵、錳及有機(jī)物保護(hù)膜的同時(shí)自身也被還原為錳的中間價(jià)態(tài)物質(zhì)，過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的攪動(dòng)破壞了這種絮體結(jié)構(gòu)，部分錳化合物及吸附在絮體上的鐵又被釋放出來(lái)，導(dǎo)致出水鐵、錳含量變大。這與孫士權(quán)等的研究結(jié)論有所不同，可能與原水水質(zhì)不同有關(guān)。
    KMnO4對(duì)鐵、錳的去除率隨預(yù)氧化時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，預(yù)氧化120min后，鐵的去除率達(dá)到98.6%，出水錳含量低于檢測(cè)限。分析原因，可能是因?yàn)镵MnO4的還原產(chǎn)物為MnO2，并以MnO（OH）2的形式析出，其與Mn2+的置換反應(yīng)屬于化學(xué)吸附，產(chǎn)物穩(wěn)定性高，延長(zhǎng)攪動(dòng)時(shí)間不但不能破壞反應(yīng)產(chǎn)物，反而使氧化反應(yīng)和吸附反應(yīng)進(jìn)行得更充分，提高對(duì)鐵、錳的去除效果。
    2.3原水本底成分對(duì)預(yù)氧化效果的影響
    原水本底成分對(duì)預(yù)氧化效果的影響見(jiàn)表1。
        
    由表2可以看出，原水本底成分極大地影響了錳的去除效果，PPC和KMnO4預(yù)氧化時(shí)，原水比加標(biāo)蒸餾水錳的去除率分別高約80%和50%。就PPC預(yù)氧化而言，這是因?yàn)樵畼映煞直容^復(fù)雜，其中可能含有某些還原性物質(zhì)，而這些物質(zhì)能將PPC還原成含錳的中間價(jià)態(tài)產(chǎn)物，如前所述，這些新生錳的中間價(jià)態(tài)物質(zhì)能大大促進(jìn)對(duì)錳的去除。而以KMnO4做預(yù)氧化劑時(shí)，鐵、錳的去除效果受原水本底成分的影響要小，這是因?yàn)镵MnO4對(duì)鐵、錳的氧化作用主要是化學(xué)行為，即KMnO4本身對(duì)二價(jià)鐵、錳的氧化作用和MnO2對(duì)Mn2+的化學(xué)吸附，其預(yù)氧化助凝效果不如PPC產(chǎn)生的還原產(chǎn)物。造成蒸餾水加標(biāo)與原水加標(biāo)鐵、錳去除率相差懸殊的另一個(gè)共同原因是蒸餾水加標(biāo)水樣中懸浮物濃度極低，這使得水樣在絮凝過(guò)程中水解產(chǎn)物缺少凝結(jié)中心，導(dǎo)致絮凝效果差，出水鐵、錳含量高。
    3·結(jié)論
    （1）原水pH對(duì)不同高錳酸鹽預(yù)氧化除鐵的影響均不明顯，但對(duì)去除錳的影響顯著。弱堿性環(huán)境有利于對(duì)錳的去除。長(zhǎng)沙市近郊某鎮(zhèn)給水站地下水源水pH為7.14～7.72，利用PPC及KMnO4預(yù)氧化去除鐵、錳時(shí)無(wú)需調(diào)節(jié)pH。
    （2）預(yù)氧化時(shí)間影響鐵、錳的去除效果。10～30min的預(yù)氧化時(shí)間下PPC及KMnO4均能取得較好的鐵、錳去除效果，但長(zhǎng)水力停留時(shí)間增大了水處理構(gòu)筑物容積和基建投資，因此，在以PPC或KMnO4為預(yù)氧化劑的強(qiáng)化混凝工藝中，建議預(yù)氧化時(shí)間為10min。
    （3）原水本底成分極大地影響著PPC的預(yù)氧化效果，而KMnO4預(yù)氧化受此影響略小

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