ClO₂對(duì)水中Mn²⁺去除影響因素的研究

【摘要】本實(shí)驗(yàn)通過一組燒杯試驗(yàn)，考察了ClO2去除Mn2+的影響因素。結(jié)果表明：ClO2投加量、pH、初始錳濃度對(duì)ClO2除錳都有較大影響;ClO2投加量越高除錳效果越好，當(dāng)初始Mn2+濃度為1mg/L、ClO2投加量為3mg/L時(shí)，出水達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)<0.1mg/L。

【關(guān)鍵詞】二氧化氯;除錳;影響因素

目前我國飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定錳的濃度不應(yīng)大于0.1mg/L。我國現(xiàn)行的除錳技術(shù)有：自然氧化法、接觸氧化法、生物法和強(qiáng)氧化劑法。其中自然氧化法和接觸氧化法都需要充分曝氣，并采用錳砂為過濾材質(zhì)，增加了處理成本且效果不理想。近年國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)生物法進(jìn)行了大量研究，但目前還沒有構(gòu)建起完善的工程理論設(shè)計(jì)和規(guī)范化的調(diào)試運(yùn)行方法。強(qiáng)氧化劑氧化法除鐵錳在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用十分普遍，ClO2作為一種強(qiáng)氧化劑已廣泛應(yīng)用于飲水處理的預(yù)氧化和消毒過程。本文設(shè)計(jì)了一組燒杯試驗(yàn)研究二氧化氯投加量、pH值、溫度和原始錳濃度對(duì)二氧化氯除錳效果的影響。

1、試驗(yàn)材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1二氧化氯的制備

本實(shí)驗(yàn)采用亞氯酸鈉（NaC1O2）法制取ClO2，所用的酸為一水檸檬酸（C6H8O7·H2O）。反應(yīng)產(chǎn)生的ClO2由穩(wěn)定的空氣流導(dǎo)入裝有蒸餾水的棕色吸收瓶中，副產(chǎn)物氯氣（Cl2）等雜質(zhì)則通過NaClO2飽和溶液去除。此方法制備的ClO2純度在99%以上，濃度在200mg/L～600mg/L之間，ClO2儲(chǔ)備液存放于4℃的冰箱里。

1.1.2含錳水樣

配置錳標(biāo)準(zhǔn)貯備液（1mg/L）：稱取3.076g一級(jí)硫酸錳溶于水中，加入2mL濃硫酸，定容于1000 mL容量瓶中。使用時(shí)用蒸餾水稀釋至所需濃度，然后根據(jù)試驗(yàn)要求用NaOH和HNO3溶液調(diào)節(jié)pH。

1.2試驗(yàn)方法

首先將配好的含錳和含ClO2水樣裝在兩個(gè)燒杯中，燒杯至于水浴裝置中以控制溫度，用兩個(gè)定速的蠕動(dòng)泵來控制流速，ClO2和錳在CD段反應(yīng)，反應(yīng)后的水樣通入裝有硫代硫酸鈉（Na3S2O3）溶液的萃取瓶來中終止反應(yīng)。CD段的長度與流速的比值等于反應(yīng)時(shí)間，流速一定情況下，控制CD管的長度來控制反應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)蠕動(dòng)泵的流速相等，因此配制含ClO2水樣和含錳水樣濃度均為試驗(yàn)濃度的兩倍。

試驗(yàn)中Mn2+采用原子吸收分光光度法進(jìn)行檢測;ClO2采用連續(xù)碘量法滴定。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 ClO2投加量

ClO2投加量是ClO2除錳的重要參數(shù)。ClO2氧化錳過程分兩步，第一步反應(yīng)中ClO2氧化Mn2+的速度快，第二步亞氯酸根氧化Mn2+的能力比較弱。ClO2氧化錳反應(yīng)式如式（1）～ （3）：

實(shí)驗(yàn)考察在錳初始濃度為1mg/L，溫度20℃，pH=7.6時(shí)，按照[ClO2]/[Mn2+]=0.5、1、2、3，考察ClO2投加量對(duì)出水錳濃度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為圖1：

由圖1可知，ClO2氧化錳的反應(yīng)速度很快，ClO2投加量越大出水錳濃度越低。當(dāng)ClO2濃度為3mg/L時(shí)出水錳濃度降低到0.1mg/L以下，達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。以上試驗(yàn)可知ClO2除錳反應(yīng)主要進(jìn)行第一步反應(yīng)，亞氯酸根基本不參加反應(yīng)。

2.2 pH值

由ClO2除錳的原理可知，pH值對(duì)該氧化反應(yīng)的速度與徹底程度都有重要的影響。在20℃，[ClO2]/[Mn2+]=3，初始錳濃度為1mg/L時(shí)，調(diào)節(jié)原水pH至6.9、7.6和8.3，考察pH值對(duì)除錳效果影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖2：

由圖2可知，pH對(duì)ClO2除錳影響比較大，一定范圍內(nèi)pH越大ClO2氧化錳離子的效果越好。其原因可能是ClO2氧化Mn2+是一個(gè)產(chǎn)H+過程，pH越高H+濃度越低，反應(yīng)向正方向移動(dòng)。把原水pH值從7.6提高到8.3后，出水達(dá)標(biāo)的速度能加快一倍，因此可推知在出水錳濃度不達(dá)標(biāo)時(shí)可適當(dāng)提高原水pH值。

2.3初始錳濃度

在保證ClO2與初始Mn2+濃度的比例不變的情況下，考察ClO2氧化除錳是否適合其他濃度的含錳水樣。當(dāng)T=20℃、pH=7.6、[ClO2]/[Mn2+]=3時(shí)，本實(shí)驗(yàn)選取0.5mg/L、1mg/L、2mg/L和4mg/L四種初始錳濃度作為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

由圖3可知，原水Mn2+濃度在0.5～4mg/L內(nèi)，隨著初始錳濃度提高，錳的去除率增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能由于ClO2和Mn2+的濃度都增高，會(huì)加快錳氧化反應(yīng)的速率，使得初期錳氧化產(chǎn)物的累積速率加快，而錳氧化產(chǎn)物又具有吸附性能和自催化作用，從而出現(xiàn)原水錳濃度越高出水錳濃度越低的情況。

結(jié)論：

（1）ClO2具有很強(qiáng)氧化性，能迅速將Mn2+迅速氧化成高價(jià)不溶性高價(jià)錳。氧化劑ClO2投加量是氧化除錳的一個(gè)關(guān)鍵因素，ClO2投加量越大，錳離子的去除率越高。在原水錳為1mg/L時(shí)，需3mg/L ClO2才能使出水錳濃度小于1mg/L滿足我國飲用水標(biāo)準(zhǔn)，說明ClO2氧化錳一般只進(jìn)行兩步反應(yīng)的第一步。

（2）pH對(duì)ClO2除錳的影響比較大，pH在6.9～8.3范圍內(nèi)，pH越高除錳效果越好;溫度對(duì)ClO2除錳的反應(yīng)速率有很大的影響，溫度越高反應(yīng)速率越高，去除效果越好，在低溫條件下可以通過延長反應(yīng)時(shí)間來保證出水水質(zhì)。

（3）當(dāng)[ClO2]/[Mn2+]=3時(shí)，初始Mn2+濃度在0.5～4mg/L內(nèi)，出水錳濃度都能達(dá)標(biāo)。初始錳濃度越高，錳的去除率越高。理論上ClO2除錳適用于高濃度錳時(shí)，在低濃度錳原水時(shí)需提高[ClO2]/[Mn2+]比值。

作者簡介：

劉立山（1988-），男，漢族，湖南益陽，碩士研究生，工程師，主要從事市政給排水工程設(shè)計(jì)工作。