实验四无机混凝剂(聚合硫酸铁)的制备

无机混凝剂(聚合硫酸铁)的制备

【前言】

混凝剂是一类主要用于水和废水混凝处理过程的化学药品的总称, 其种类繁多, 按其化学成分可分为无机与有机两大类.有机类常称为絮凝剂,按官能团分类主要有阴离子、阳离子和非离子三大类型，按来源分类可分为天然的和人工合成的两大类。大多数工业应用都使用人工合成的高分子絮凝剂。其中用得最为广泛的要数分子量为300万以上的聚丙烯酰胺及其衍生物。无机类的品种较少, 主要是铝盐类、铁盐类、活化硅酸类、铁铝复合类等, 但在水处理中的用量很大。

其中聚合硫酸铁混凝剂是目前仅次于PAC，应用量占据第二位的混凝剂①。PFS在

水处理过程中具有絮凝体形成速度快，絮粒密度大，沉降速度快，对于处理水文和pH适应范围广的优点。目前，PFS主要应用于各种工业用水的除浊处理，城市污水以及生活用水和生产给水的处理。

PFS 于1976 年在日本研制成功并投放市场, 80 年代投入工业性生产并应用于水处理中, 欧美等国都在相继应用。我国80 年代开始研制这类产品, 目前国内研究和生产PFS 的单位很多, 并已广泛地用于水处理中。PFS 产品有固、液两种, 但不同厂家生产的产品质量参差不齐。PFC 到目前为止还未形成工业规模生产, 主要原因是高浓度铁氯聚合物易沉淀脱稳而失效。目前中科院生态环境研究中心等单位已研制出了能长期保存的高浓度PFC 产品, 预计贮存稳定的PFC

的问世将在水处理中得到广泛的应用②。

制造PFS的原料是以工业硫酸亚铁和硫酸为主的，此外还利用废料废液，如磁铁矿粉以及废硫酸等为原料的。自PFS问世以来，我国专家学者对原料以及工艺过程提出了许多改进意见。各种制造方法的基本原理大同小异，其中典型的仍是以工业硫酸亚铁和硫酸为原料亚硝酸钠为催化剂，空气或氧气为氧化剂的制造方法。国内生产液态PFS居多，按氧化、水解和聚合方法的不同，液态PFS的制造

方法大体可以分为两大类③：

催化氧化法

1976年，日本首先取得的专利是采用工业硫酸亚铁和硫酸为原料，亚硝酸钠为催化剂，空气氧化，反应时间为17h.

直接氧化法

廖为鑫等提出以硫酸亚铁和硫酸为原料，过氧化氢为氧化剂，不需任何能源，利用本身的反应热完成氧化、水解和聚合。吴玢等以磁铁矿或硫铁矿烧渣为原料，与硫酸和水进行二步法反应，预反应使料液中预反应使料液Fe3+含量达到65g/L,然后在聚合反应器中完成聚合反应。该法中以氯氨酸钠或氯酸钾为催化氧化剂。【实验原理】

直接氧化法使用的氧化剂主要有H

2O

2

、NaC10

3

无机氧化剂，直接氧化法反应

速度快，反应进行彻底，产品质量好。

Fe

2(SO

4

)

3

+nH

2

0→Fe

2

(OH)

n

(SO

4

)

3-n2

+ n/2H

2

SO

4

2FeSO

4+H

2

2

+ (1一n／2)H

2

SO

4

=Fe

2

(OH)n (SO

4

)

3-n2

+(2-n)H

2

mFe

2(OH)n (SO

4

)

3-n2

→[Fe

2

(OH)n (SO

4

)

3-n2

]m

此方法具有设备简单、生产周期短、反应不用催化剂、产品纯度高等优点。由于H 202与FeSO 4 的氧化反应非常剧烈，反应过程中放出大量的热量，温度过高会加速H 202分解，H 202分解时有02放出，要减少02 的生成，需控制H 202的投加速度及反应温度。

产物中Fe 2＋的检测,可在硫酸和磷酸的混合酸介质中，二价铁离子可利用重铬酸钾法测定。

6Fe 2＋ ＋ Cr 2O 72－ ＋ 14H +＝ 6Fe 3＋ ＋ 2Cr 3＋ ＋7H 2O

以二苯胺磺酸钠作指示剂， 正常情况下，滴定至溶液呈紫色为终点.

聚合无机混凝剂的一个重要指标是碱化度，碱化度的定义为（OH ）/n （M ）。OH 表示金属离子已结合OH 的当量数，M 表示金属离子的当量数，n 为该金属离子的化合物。本实验可采用一下的计算公式计算聚合硫酸铁的碱化度。

【仪器与药品】

1. 主要仪器

可调速搅拌器、三口烧瓶250ml 、可调速搅拌器、三口烧瓶、锥形瓶、烧杯、恒温槽、酸式滴定管、碱式滴定管、胶头滴管、量筒、移液管

2. 主要试剂

七水硫酸亚铁FeSO 4•7H 2O 、硫酸、过氧化氢H 2O 2（30%）、氯酸钠NaClO 3、 酚酞指示剂，重铬酸钾标准溶液0.025mol/L 、盐酸溶液：0.1011mol/L 、NaOH 溶液0.0978mol/L ，硫磷混酸15%、二苯胺磺酸钠2g/L 、氟化钾

【实验步骤】 1.3.1 产品制备

称取50g 置于烧瓶中，加入25mL 去离子水，按照硫酸与亚铁盐摩尔比例0.2—0.45.实取硫酸4.0ml ，然后加入烧瓶中。控制水浴反应温度为50—60°C ，取理论反应量的过氧化氢9.2ml 和理论量20%的氯酸钠0.64g ，快速搅拌混合溶液（800rpm ），同时，每隔5min 加一次过氧化氢，在1—1.5h 内加完。最后将氯酸钠分三次加完，再搅拌15min 。

氧化反应完后，溶液完全变为红棕色。用滴管取少量溶液观察，其中应无明显的二价铁离子的颜色，否则，继续加入过氧化氢或氯酸钠。样品分析时，二价铁的转化率应达95%以上。

1.3.2 产物中Fe 2＋的检测

取5mL 聚铁溶液，放入250mL 锥形瓶中，稀释至100mL ，加入10mL 硫磷混酸，冷却后加入5滴二苯胺磺酸钠溶液，用重络酸钾标准溶液滴定至呈稳定的紫色。

(mol/L) 1.00

C NaOH (V 空-V 样)

C b =