阅读说明：本技术 利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法 (Method for oxidizing iodide ions into iodate by using ferrate and controlling generation of iodo-disinfection byproducts in water ) 是由 马军 张婧 王宪实 刘玉蕾 王鲁 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法,本发明涉及水处理方法领域。本发明要解决现有水体中存在碘离子和天然有机物,在传统消毒方式处理下,导致碘代消毒副产物生成的问题。方法：将高铁酸盐投加到含有碘离子的水源中,进行氧化反应,完成该方法。本发明将高铁酸钾作为强氧化剂,将水中的碘离子迅速氧化为次碘酸,次碘酸浓度在系统中积累到最大值时,次碘酸逐渐被高铁酸钾氧化变成碘酸盐使其浓度降低,减小了次碘酸与有机物反应生成碘代消毒副产物的可能。高铁酸钾浓度的增加会促进碘离子和次碘酸向碘酸盐的转化,碘代消毒副产物生成量少,适合大规模应用。本发明方法用于对含碘离子水源的处理。(The invention discloses a method for oxidizing iodide ions into iodate by using ferrate and controlling generation of iodo-disinfection byproducts in water, and relates to the field of water treatment methods. The invention aims to solve the problem that iodine disinfection byproducts are generated due to the fact that iodide ions and natural organic matters exist in the existing water body and are treated in a traditional disinfection mode. The method comprises the following steps: ferrate is added to a water source containing iodide ions for oxidation to complete the process. The invention takes potassium ferrate as a strong oxidant to rapidly oxidize iodide ions in water into hypoiodic acid, when the concentration of the hypoiodic acid is accumulated to the maximum value in a system, the hypoiodic acid is gradually oxidized by the potassium ferrate to become iodate so as to reduce the concentration of the hypoiodic acid, and the possibility that the hypoiodic acid reacts with organic matters to generate iodo disinfection byproducts is reduced. The increase of the concentration of the potassium ferrate can promote the conversion of iodide ions and hypoiodic acid into iodate, and the generation amount of iodo-disinfection byproducts is small, so that the potassium ferrate is suitable for large-scale application. The method is used for treating the water source containing the iodine ions.)

利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副 产物生成的方法

技术领域

本发明涉及水处理方法领域。

背景技术

大量动物实验表明，三卤甲烷有致畸、致癌和致突变性。如果动物体内的三卤甲烷达到一定浓度，可能引起肠，肾和肝肿瘤。而在卤代消毒副产物中，相比于氯溴消毒副产物，碘代消毒副产物(I-DBPs)表现出更大的毒性。碘代产物主要在消毒过程中产生：在消毒含碘水的过程中，碘离子会被氯和氯胺等消毒剂氧化成具有一定的氧化能力的次碘酸。次碘酸可通过三种路径转化：第一种是通过消毒剂的持续氧化作用将次碘酸氧化为没有毒性的碘酸盐；第二种是通过次碘酸的自歧化反应，分解为无毒无害的碘离子和碘酸盐；第三种与水中的腐殖酸和富里酸等天然有机物发生氧化反应或替代反应，产生碘的消毒副产物。相比于液氯消毒，选择氯胺作为消毒剂可能会产生更多的碘副产物。这是因为次碘酸被氯胺氧化为碘酸盐的反应速度非常慢，导致次碘酸在水体中的大量积累，而水中存在的天然有机物与次氯酸的相互作用速率较快，远大于次碘酸与氯胺的反应速率，所以次碘酸易与水中天然存在的有机物质反应形成碘代消毒副产物。我国一些城市原水的水质很差，有机物含量很高，但是液氯又常被用作饮用水的消毒剂，因此饮用水中碘代消毒副产物的产生对人体健康的损害不容忽视。碘离子是天然水中的常见物质，随着人们生活水平和医疗水准的不断提高，更多含碘的有机物进入到天然水中，成为碘的来源，并产生碘代消毒副产物。

发明内容

本发明要解决现有水体中存在碘离子和天然有机物，在传统消毒方式处理下，导致碘代消毒副产物生成的问题，而提供利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法

利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸盐投加到含有碘离子的水源中，进行氧化反应，完成该方法。

进一步的，高铁酸盐将水源中碘离子氧化为无毒无害的碘酸盐，从而控制水中碘代消毒副产物的产生。

进一步的，利用高铁酸盐对含有碘离子的水源进行预氧化处理，控制高铁酸盐投加后，水源中高铁酸盐的浓度是碘离子浓度的3倍以上。

进一步的，高铁酸盐氧化反应后，再加入液氯，氯化24h，液氯加入后，水源中液氯浓度为2mg/L。

进一步的，高铁酸盐氧化反应后，再加入氯胺，氯胺化24h，氯胺加入后，水源中氯胺浓度为2mg/L。

本发明的有益效果是：

本发明高铁酸盐是一种绿色氧化剂，在较宽的pH范围内具有强氧化性，其氧化具有选择性，易于氧化含富电子基团的化合物，如酚类、胺类、烯烃类以及含氮、硫的化合物。高铁酸盐最终还原产物为三价铁，进一步水解具有一定的混凝效果，在混凝、沉淀、过滤阶段被去除，而且排放后对环境友好，无毒无害。在中性条件下，高铁酸钾与次碘酸反应的速率常数约为高铁酸钾与碘离子反应的速率常数的10倍，远高于水处理中其他常用氧化剂，这表明碘离子被高铁酸钾氧化成次碘酸后可进一步迅速被高铁酸钾氧化成无毒无害的碘酸盐，使得次碘酸不会在体系中积累，避免了次碘酸和水体中的天然有机物反应生成有害的碘代消毒副产物，这种特性使得高铁酸钾在处理含碘水体时具有得天独厚的优势。

本发明将高铁酸钾作为一种强氧化剂，能将水中的碘离子迅速氧化为次碘酸，次碘酸浓度在系统中积累到最大值时，次碘酸逐渐被高铁酸钾氧化变成碘酸盐使其浓度降低，大大减小了次碘酸与有机物反应生成碘代消毒副产物的可能。高铁酸钾浓度的增加会促进碘离子和次碘酸向碘酸盐的转化，碘代消毒副产物生成量少，适合大规模应用。

该利用高铁酸钾氧化碘离子控制水中碘代消毒副产物生成的方法，保证加入水体中的高铁酸钾摩尔浓度是水体中碘离子摩尔浓度的3倍以上时，高铁酸钾能将碘离子完全氧化成碘酸盐，从而没有碘代副产物的产生。选取碘仿作为碘代副产物的代表物质，高铁酸钾摩尔浓度是水体中碘离子摩尔浓度的0.5、2、4倍时，均没有碘仿产生，由于碘离子被氧化为碘酸盐，使在后续氯/氯胺消毒过程中碘不会被氧化为次碘酸，表明了高铁酸钾氧化体系处理含碘水体时可大大降低后续消毒过程中生成碘代消毒副产物的风险。

本发明方法用于对含碘离子水源的处理，将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸盐投加到含有碘离子的水源中，进行氧化反应，完成该方法。

本实施方式所述高铁酸盐是一种绿色氧化剂，在较宽的pH范围内具有强氧化性，其氧化具有选择性，易于氧化含富电子基团的化合物，如酚类、胺类、烯烃类以及含氮、硫的化合物。高铁酸盐最终还原产物为三价铁，进一步水解具有一定的混凝效果，在混凝、沉淀、过滤阶段被去除，而且排放后对环境友好，无毒无害。在中性条件下，高铁酸钾与次碘酸反应的速率常数约为高铁酸钾与碘离子反应的速率常数的10倍，远高于水处理中其他常用氧化剂，这表明碘离子被高铁酸钾氧化成次碘酸后可进一步迅速被高铁酸钾氧化成无毒无害的碘酸盐，使得次碘酸不会在体系中积累，避免了次碘酸和水体中的天然有机物反应生成有害的碘代消毒副产物，这种特性使得高铁酸钾在处理含碘水体时具有得天独厚的优势。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：高铁酸盐为高铁酸钾。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：高铁酸盐投加后，水源中高铁酸盐的浓度为1.7～5.6mg/L。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：含有碘离子的水源中腐殖酸浓度为5mg/L。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：控制高铁酸盐加入前含有碘离子的水源的pH为5～10.5。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：利用高铁酸盐对含有碘离子的水源进行预氧化处理，控制高铁酸盐投加后，水源中高铁酸盐的浓度是碘离子浓度的3倍以上。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：高铁酸盐氧化反应后，再加入液氯，氯化24h，液氯加入后，水源中液氯浓度为2mg/L。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：高铁酸盐氧化反应后，再加入氯胺，氯胺化24h，氯胺加入后，水源中氯胺浓度为2mg/L。其它与具体实施方式一至七之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有碘离子的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

水源中碘离子的浓度为25μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为50μmol/L。

经检测，本实施例在反应的初始阶段(10ms以内)，碘离子的浓度迅速减少，减少的碘离子被高铁酸钾氧化成次碘酸在体系中积累，次碘酸继续被高铁酸钾氧化，当反应时间为2s时，pH＝7.2条件下生成的碘酸盐的浓度为16.9μmol/L，碘离子的摩尔转化率达67.6％，极大地减少了生成碘代副产物的潜力，证实高铁酸钾能将水中的碘离子氧化为无毒无害的碘酸盐。

实施例二：

本实施例利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有碘离子的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

水源中碘离子的浓度为25μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为30μmol/L。

实施例三：

本实施例利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有碘离子的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

水源中碘离子的浓度为25μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为75μmol/L。

实施例四：

本实施例利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有碘离子的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

水源中碘离子的浓度为25μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为85μmol/L。

实施例五：

本实施例利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有碘离子的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

水源中碘离子的浓度为25μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为100μmol/L。

上述实施例投加30μmol/L高铁酸钾，最终只生成了约10μmol/L碘酸盐，当反应结束时，体系中还存留约15μmol/L碘离子；投加50μmol/L高铁酸钾，反应结束时生成的碘酸盐的浓度增加到了16.8μmol/L，同时体系中碘离子的浓度减小到7.2μmol/L；投加75μmol/L高铁酸钾，反应进行到约0.7s时体系中碘离子的浓度已经降为0，反应结束时，体系中生成了约25μmol/L碘酸盐，说明当高铁酸钾的初始浓度和碘离子的初始浓度的摩尔比例大于3时，数秒内高铁酸钾即可将碘离子完全氧化为碘酸盐。当体系中高铁酸钾的投加量增加到85μmol/L和100μmol/L时，碘离子的浓度均在不到1s的时间内降为0，且反应结束时体系中都生成了25μmol/L碘酸盐。

实施例六：

本实施例利用高铁酸盐将被氧化生成的次碘酸氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有次碘酸的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

控制含有次碘酸的水源的pH为5.32，水源中次碘酸的浓度为57μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为50μmol/L。

实施例七：

本实施例利用高铁酸盐将被氧化生成的次碘酸氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有次碘酸的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

控制含有次碘酸的水源的pH为6.17，水源中次碘酸的浓度为53μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为50μmol/L。

实施例八：

本实施例利用高铁酸盐将被氧化生成的次碘酸氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有次碘酸的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

控制含有次碘酸的水源的pH为7.2，水源中次碘酸的浓度为46μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为50μmol/L。

实施例九：

本实施例利用高铁酸盐将被氧化生成的次碘酸氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有次碘酸的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

控制含有次碘酸的水源的pH为8.06，水源中次碘酸的浓度为40μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为50μmol/L。

实施例十：

本实施例利用高铁酸盐将被氧化生成的次碘酸氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有次碘酸的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

控制含有次碘酸的水源的pH为9.04，水源中次碘酸的浓度为32μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为50μmol/L。

实施例十一：

本实施例利用高铁酸盐将被氧化生成的次碘酸氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有次碘酸的水源中，进行氧化反应，完成该方法；

控制含有次碘酸的水源的pH为10.3，水源中次碘酸的浓度为28μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为50μmol/L。

由于高铁酸钾氧化碘离子的过程是先将碘离子氧化为次碘酸，然后次碘酸继续被高铁酸钾氧化为无毒无害的碘酸盐。而高铁酸钾在水体中与碘离子反应生成次碘酸的速度非常快，几毫秒就可以完成，所以决定高铁酸钾能否将碘离子氧化成碘酸盐的决定性反应是高铁酸钾与次碘酸的氧化反应。

经验证，pH＝5.32、6.17和7.2，反应时间分别为0.3s、0.4s和0.5s时，体系中生成30μmol/L的碘酸盐。反应时间为0.5s时，pH＝8.06的体系中生成了24μmol/L的碘酸盐；当反应时间为60s时，pH＝9.04和10.3体系中生成的碘酸盐的浓度分别为30μmol/L和19μmol/L。

实施例十二：

本实施例利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有碘离子的水源(松花江水)中，进行氧化反应，完成该方法；

水源中碘离子的浓度为25μmol/L，高铁酸钾投加后，水源中高铁酸钾的浓度为50μmol/L。

本实施例高铁酸钾浓度以Fe计，利用高铁酸钾继续预氧化处理，将水中的碘离子氧化为无毒无害的碘酸盐。

本实施例反应进行到150s时，体系中生成了13.2μmol/L的碘酸盐，碘离子浓度降低到11.9μmol/L，此时体系中碘离子和碘酸盐的浓度已基本不发生变化，表明反应已基本结束，体系中碘离子只被高铁酸钾氧化了53％，表明当高铁酸钾和碘离子的初始摩尔浓度为2：1时，碘离子无法被高铁酸钾完全氧化。当高铁酸钾被用于预氧化工艺处理含碘水体时，必须保证加入到水体中高铁酸钾的摩尔浓度是水体中碘离子摩尔浓度的3倍以上。

实施例十三：

本实施例利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有碘离子的中性配水中，进行避光氧化反应12h，完成该方法；

中性配水中碘离子的浓度为20μmol/L，腐殖酸浓度为5mg/L，高铁酸盐投加后，水源中高铁酸钾的浓度分别为10μmol/L、40μmol/L、80μmol/L。

本实施例三个实验组高铁酸钾和碘离子初始摩尔浓度的比例分别为0.5、2和4，均没有观察到碘仿的生成，说明即使碘离子的浓度大于高铁酸钾的浓度，体系中也不会有碘仿的产生。

实施例十四：

本实施例利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有碘离子的中性配水中，进行避光氧化反应12h，然后加入液氯，氯化24h，完成该方法；

中性配水中碘离子的浓度为20μmol/L，腐殖酸浓度为5mg/L，高铁酸盐投加后，水源中高铁酸钾的浓度分别为60μmol/L、80μmol/L、100μmol/L，液氯加入后，水源中液氯浓度为2mg/L。

检测生成碘仿、一碘乙酸和三碘乙酸的浓度。

本实施例三个实验组高铁酸钾和碘离子初始摩尔浓度的比例分别为3、4和5，三个实验组中均没有观察到碘仿以及一碘乙酸和三碘乙酸的生成，说明通过高铁酸钾预氧化的方式可消除后续氯化消毒过程中碘代消毒副产物生成的风险。

实施例十五：

本实施例利用高铁酸盐将碘离子氧化成碘酸盐并控制水中碘代消毒副产物生成的方法，具体按以下步骤进行：

将高铁酸钾投加到含有碘离子的中性配水中，进行避光氧化反应12h，然后加入氯胺，氯胺化24h，完成该方法；

中性配水中碘离子的浓度为20μmol/L，腐殖酸浓度为5mg/L，高铁酸盐投加后，水源中高铁酸钾的浓度分别为60μmol/L、80μmol/L、100μmol/L，氯胺加入后，水源中氯胺浓度为2mg/L。

检测生成的碘仿、一碘乙酸和三碘乙酸的浓度。

本实施例三个实验组高铁酸钾和碘离子初始摩尔浓度的比例分别为3、4和5，三个实验组中均没有观察到碘仿以及一碘乙酸和三碘乙酸的生成，说明通过高铁酸钾预氧化的方式可消除后续氯胺消毒过程中碘代消毒副产物生成的风险。