鐵氧體及其復合材料對水體中氨基苯胂酸去除效能的研究

李 錚，雷 鳴

（1.湖南農業大學資源環境學院，長沙 410128；2.長沙環境保護職業技術學院，長沙 410004）

隨著近幾年化工行業的迅速發展和居民消費需求的不斷增長，農藥、洗衣粉的供求量逐漸增加。但是，很多人工合成的物質會隨排放的生產廢水和生活污水流入水體中，形成水體污染，造成生活飲用水的質量逐漸惡化。常規的飲用水處理對象主要是水體中含有的漂浮物質、雜質和部分細菌[1]。

鐵氧體主要是由鐵與其他一種或多種金屬所組成的復合含氧化合物，它是一種金屬化合物，具有鐵磁性，是一種新型納米材料。根據晶格類型，鐵氧體可以分為磁鉛石型鐵氧體、尖晶石型鐵氧體等。

在水體中加入凝結劑來凝結水中不能沉淀而分離的漂浮物，再把沉淀后水體中留下的雜質過濾掉，從而增加水體的清潔度，最后通過消毒消滅掉水中的微生物和細菌，得到安全的生活用水。鐵氧體具有良好磁性、吸附性、敏感性和催化性等物理性質和化學性質，在很多領域被廣泛應用。納米材料表面有很多原子，表面積也較大，造成原子飽和度不夠，活性很強并且極不穩定，容易與其他原子結合，吸附能力很強。因此，當前有必要做好利用納米材料去除水環境中污染物的研究。

1 鐵氧體及其復合材料對水中氨基苯胂酸去除效能分析

1.1 吸附

20世紀中期，鐵氧體被發現，它具有良好的吸附性能，是一種非常有效的磁性材料。與傳統的金屬磁性材料相比，它具有電阻率更大、在高頻時磁導率更高等優點。鐵氧體是一種富含鐵酸鹽的陶瓷性材料，大多由金屬氧化物復合而成。

作為吸附材料的鐵氧體被應用到很多領域，四大發明之一指南針就是由Fe3O4材料制成[2]。隨著科學技術的飛速發展，學者通過研究鐵氧體的性質和組成，開發出鐵氧體復合材料，其兼具各種材料的特性，被廣泛應用，如自動控制、儀器儀表、人造衛星、航天通信以及環境污染處理等領域，在工業上起到重要作用[3]。鐵氧體的晶體結構如表1所示。

表1 鐵氧體的晶體結構

氨基苯胂酸是一種白色、無氣味晶狀粉末物質，對水生生物有極高毒性，可能對水體環境產生長期不良影響。其通過糞便施肥進入土壤，可以被植物吸收；可以在物理、化學和微生物等因素的作用下發生轉化，轉變為遷移能力更強、毒性更大的三價和五價的無機砷化合物，對環境造成嚴重污染[4-5]。

1.2 光降解

尖晶石型鐵氧體在經過光照射時，能夠產生一種光生電子——空穴對，從而引發吸附在其表面的物質發生氧化還原反應，達到光催化目的[6-7]。以ZnFe2O2光催化降解羅丹明B（RhB）為例，下面簡單介紹鐵氧體光降解有機物的一種機理。當ZnFe2O2被汞燈輻射時，其價帶上的電子可以被激發到導帶上，其間會持續產生電子反應，生成化合物，最終實現光降解[8-9]。

2 試驗

為了更好地驗證鐵氧體及其復合材料對去除水體中氨基苯胂酸的效果，筆者同時進行試驗對比分析。主要試驗原料有氧化鈣、氧化錫、硝酸鈉、二氧化鐵、硝酸鐵、氧化鎂、氫氧化鈉。

本研究使用的試驗設備較多，包括Precisa XT220A電子秤、微型磁力高壓反應釜、科偉202-00型烘箱、QM-3spz行星式球磨、769YP-24B型粉末壓片機和SX3-4-13A型智能纖維電阻爐。Precisa XT220A電子秤為瑞士生產，用來稱量各種試驗原料，精度可達到0.001 g，較為先進。反應釜為WCGF微型磁力高壓反應釜，由我國安太康生物科技有限公司生產。烘箱型號為科偉202-00型，它是一種電熱恒溫干燥箱。QM-3spz行星式球磨機的球磨罐以尼龍為主材料，球磨珠的主要材料則是ZrO。769YP-24B型粉末壓片機由天津市科儀高新科技有限公司生產。燒結設備型號為SX3-4-13A型智能纖維電阻爐。

2.1 傳統去除方法

2.1.1 混凝

首先進行混凝技術加工，加入的試劑和水混合均勻后，利用機械快速劇烈攪拌，目的是讓試劑快速并均勻地分散在水里，直到絮凝出大顆粒物質為止[10]。

2.1.2 沉淀

上一階段形成的絮狀大顆粒體由于自身重力會沉淀在水底，當水流入沉淀池時，截面孔隙會將不同的污染物分離出來，使其逐漸向沉淀池的出口區流出。水中的泥垢逐漸積累并收縮，定期排出池外。

2.1.3 過濾

通過吸附作用將水中的石英砂及懸浮在水中的顆粒狀雜質過濾掉，去除水中小部分的細菌、病毒、細小的雜質和有機物等，達到水體澄清的效果[11]。

2.2 鐵氧體及其復合材料去除方法

首先分析鐵氧體及其復合材料的投加量對水體中沉淀物的影響，數據如表2所示。

表2 投加量對水體中沉淀物的影響結果

從表2沉淀物的顏色變化和磁性強度變化可以看出，鐵氧體及其復合物的投加量越多，沉淀物的顏色越深，磁性越強，更加利于對水體中污染物的去除。

以對硝基苯胺為原料，經重氮化、胂化（置換）和還原而得。將對硝基苯胺281.8 g、工業鹽酸352.8 g加入反應器中，于室溫下攪拌，使其充分成鹽。冷卻至0℃后滴加30%亞硝酸鈉水溶液，控制溫度不超過10℃，以淀粉-KI試紙檢查重氮化反應終點。將323 g AsO3和30%的硝酸鈉溶液在反應器中升溫攪拌，使其完全溶解，并沸騰0.5 h。冷卻至10℃，加入幾滴CuSO4溶液，然后在攪拌下緩緩加入重氮鹽溶液，反應生成硝基苯胂酸溶液，控制溫度不超過30℃。在硝基苯胂酸溶液中加入硫酸溶液，使pH達到3.4，加入328.1 g還原鐵粉和140 g食鹽，加熱至微回流（110℃）反應2 h。反應結束（稍冷）后加入200 g 30%的NaOH溶液，放置5 h后過濾。濾液用工業稀硫酸調節pH至4.5，加活性炭于80～90℃下脫色（20 min）、過濾。濾液用硫酸調節pH至2.8～3.2，冷卻至10℃，過濾、洗滌得粗品。將粗品及少量抗氧化劑和8倍量的去離子水加熱溶解，加入少量醫用活性炭回流脫色，過濾后的濾液冷卻至5℃，晶體干燥后得成品。

圖1 兩種方法對氨基苯胂酸的去除效果

如圖1所示，加入鐵氧體及其復合材料對水體中氨基苯胂酸的去除率遠遠高于傳統的方法。鐵氧體及其復合材料應該有效地用于去除水體污染物，其安全指數達到98%，可以為人類生活提供安全保障。

3 結語

鐵氧體及其復合材料具有獨特的結構和良好的吸附效果，在去除水環境污染物氨基苯胂酸方面顯示出巨大的應用潛力。在水污染處理方面，鐵氧體及其復合材料將會得到更廣泛的應用，而其對環境與健康的潛在風險還有待評價研究。因此，筆者希望更多的研究人員能關注鐵氧體及其復合材料潛在的問題，分析其對環境產生的影響。