聚合硫酸铝铁的制备及在水处理中的应用进展

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第 42 卷 第5期2013 年 5 月

Vol.42 No.5May.2013

化工技术与开发

Technology & Development of Chemical Industry

基金项目：贵州省教育厅2011年度重点科研项目资助，六盘水市煤系固体废弃物资源化利用创新团队资助（52020-2012-04-01-02），

贵州省煤炭资源清洁高效利用科研实验平台资助（黔科平台[2011]4003）

作者简介：孔德顺（1974-），男，山东临沂人，硕士，副教授，主要从事矿产资源的深加工与利用研究，Email：kongdeshun518@ 收稿日期：2013-02-25

聚合硫酸铝铁的制备及在水处理中的应用进展

孔德顺

（六盘水师范学院化学与化工系，贵州 六盘水 553004）

摘 要：介绍了聚合硫酸铝铁的合成原料、方法、原理，并介绍了聚合硫酸铝铁在水处理方面的应用研究进展，最后对未来聚合硫酸铝铁的合成及应用进行了展望。

关键词：聚合硫酸铝铁；合成；水处理

中图分类号：TQ 324.4 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2013)05-0006-03

聚合硫酸铝铁（Polymeric Aluminum Ferric Sulfate，简称PAFS 或PFAS）又叫聚合硫酸铁铝、复合硫酸铝铁，聚硫酸铝铁，其主要成分为[Al(OH)n SO 4]m [Fe 2(OH)n SO 4]m ，是在聚合硫酸铁和聚合硫酸铝的基础上发展起来的，兼具铝盐的净水效果和铁盐的安全无害的优点[1~2]，还具有盐基度高、矾花大、絮凝沉降快、用量少、去除率高、应用领域广泛等优点。本文介绍了PAFS 的制备原料、方法、原理及应用方面的研究进展。

1 PAFS 的制备研究进展

1.1 原料

制备聚合硫酸铝铁主要是利用原料中的铝元素和铁元素，所以，含有一定量的铝元素和铁元素的物质，均可以作为制备PAFS 的原料，如采用硫酸亚铁和硫酸铝[3]

、高炉渣[4]

、硫铁矿烧渣[5]

、煤系高岭土[6]

、粉煤灰[7]

、铝土矿尾矿[8]

等原料，经过一定的工艺处

理，均能制备出聚合硫酸铝铁。

1.2 制备方法

首先要溶解原料中的铝元素和铁元素，形成硫酸铝、硫酸亚铁或硫酸铁，很多研究者都是先获得硫酸亚铁和硫酸铝，在制备的过程中加入氧化剂如空气[9]、二氧化锰[10]、双氧水、氯酸钠、浓硝酸[11]等，使亚铁离子转化为铁离子，然后再和硫酸铝进行聚合，主要的工艺流程如图1所示。

含铁原料

硫酸铝

聚合硫酸铝铁

（PFAS ）

含铝原料

硫酸亚铁硫酸铁聚化

聚合

图1 聚合硫酸铝铁制备的主要工艺流程

葛旭升等[12]采用铝渣制备了硫酸铝，用拆解钢制备了硫酸亚铁，再将这二者按硫酸亚铁与硫酸铝的质量比为12~14，硫酸与总铁的物质的量之比为1.30，搅拌至混合均匀后缓慢滴加适量双氧水，控制反应温度为57℃，反应时间为2.5h，在此条件下所得的红色粘稠液体为PAFS，其盐基度可达15.1%~18.9%。在上述反应中，氧化剂双氧水的作用就是将体系中的Fe 2+氧化为Fe 3+。对于可以直接获得Fe 3+的原料，则无需经过氧化步骤，赵冉[13]采用赤铁矿为原料获得了硫酸铁溶液，然后再和由粉煤灰制得的硫酸铝溶液直接聚合，省去了氧化步骤，也制得了PAFS。1.3 制备原理

由亚铁离子和铝离子混合来制备PAFS，氧化反应的速率较低，常常需要加入催化剂来提高反应的速率。FeSO 4在酸性条件和氧化剂存在的条件下，被氧化为Fe 2(SO 4)3， Fe 2(SO 4)3和Al 2(SO 4)3经水解、聚合，得到红棕色的聚合硫酸铝铁液体产品，常见的反应方程式如下：

Fe+H 2SO 4=FeSO 4+H 2↑FeO+H 2SO 4=FeSO 4+H 2O 2FeSO 4+H 2O 2+H 2SO 4=Fe 2(SO 4)3+2H 2O MnO 2+2Fe 3++4H +=2Fe 3++Mn 2++2H 2O 3Fe 2++NO 2-+4H +=3Fe 3++NO↑+2H 2O 2Fe 2O 3+3H 2SO 4=2Fe 2(SO 4)3+3H 2

O 2Al 2O 3+3H 2SO 4=2Al 2(SO 4)3+3H 2O

最重要的反应是聚合硫酸铝铁的生成，方程式

7第 5 期 孔德顺：聚合硫酸铝铁的制备及在水处理中的应用进展

如下：

mFe2(SO4)3+0.5mAl2(SO4)3+2nH2O=

[Al(OH)n SO4]m[Fe2(OH)n SO4]m+2nH++2.5mSO42-在制备过程中，水解和聚合反应同时存在于一个体系中，有时还发生氧化反应，这些反应之间相互影响，相互促进[14]，最终生成红褐色或红棕色的[Al(OH)n SO4]m[Fe2(OH)n SO4]m，即聚合硫酸铝铁（PAFS）。

2 PAFS的应用研究进展

2.1 混凝除浊

用PAFS溶液处理工业废水，用量少，矾花大，沉降快，浊度和COD去除率高，无毒无害，因而具有良好的经济效益和环境效益。曾凤春等用PAFS处理工业废水，加入0.2mL相同浓度的聚合硫酸铝铁，快速搅拌后以石灰乳调节pH为6~8，静置40min 后用吸管吸取上层清液，测定后可知COD去除率为92.2%，浊度去除率为98.7%。邱慧琴等[15]用高岭土和去离子水配制成一定浊度的模拟悬浊液，加入适量混凝剂，搅拌均匀后，于液面下25 mm 处虹吸取样，测定水样的浊度，结果显示，浊度由11NTU降低至1NTU左右，浊度去除率大于90%。这是由于聚合硫酸铝铁是铁盐和铝盐的共聚物， 在制备过程中， 铁盐和铝盐形成了羟基化的高聚合度的无机高分子形态，其凝聚-絮凝机理同时兼有铁盐和铝盐的水解、电中和、吸附架桥、沉淀网捕等特性，因而具有较单一的PFS或PAC混凝剂更为优异的絮凝性能和混凝效果[16]。

2.2 处理印染废水

何卓等[17]利用PAFS处理印染废水，做法是调节废水pH为6，加入10%（体积分数）的自制PAFS，以120r·min-1的转速搅拌3min，静置沉降30min 后取上清液测定COD和色度，结果表明，COD去除率达到92.5%，色度去除率达到88%。2.3 处理焦化废水

兴虹等[18]以某焦化厂的二沉池出水为水样，分别用自制的PAFS和聚合硫酸铁(PFS)为絮凝剂来处理焦化废水，水样中加入的PAFS量和PFS量均为400mg·L-1，结果表明，2种絮凝剂均在pH为5.5左右时，对COD Cr的去除效果最好， 且PAFS对于焦化废水的处理效果明显好于PFS。2.4 处理含重金属离子的废水

唐文伟等[19]采用PAFS来处理含Cu2+浓度为150mg·L-1的模拟废水，残余的Cu2+浓度为0.08mg·L-1，达到国家排放标准，他们发现pH对PAFS处理重金属离子的影响最显著，其去除率一般随pH的升高而增大。处理不同的重金属离子时pH不尽相同， Cu2+和Ni2+的pH均为11，其去除率分别可达到99.19%和99.17%。

2.5 处理乳品废水

李亚强等[20]将PAFS用于乳品废水的处理，他们向250mL混合均匀的乳品废水中加入一定体积的PAFS，在电动搅拌器上搅拌均匀后静置沉降30min，测定结果表明，PAFS处理乳品废水的效果优于PAC，适宜的pH为6~9，PAFS投量200mg·L-1时，COD Cr去除率为57.5%，SS去除率为93.1%。

3 存在的问题、对策及展望

3.1 需要扩展原料的来源

凡是含有一定量的铁元素和铝元素的原料，均可以考虑用来合成PAFS，这样就扩大了合成原料的范围，比如含铁量和含铝量较多的煤矸石等；还可以考虑分别使用含铝和含铁的2种或2种以上的矿物来合成PAFS，比如用铝土矿来提供铝元素，用炼铁尾矿来提供铁元素，通过调整一定的铁铝比来制备PAFS产品。

3.2 工艺需要进一步优化

现行的工艺多为分别制备出铁盐和铝盐，然后再进行聚合反应，有的在反应中还需加入催化剂，导致成本增加；或加入的催化剂会引入二次污染，如加入MnO2作为催化剂，且合成步骤较为复杂。可以改进为一步合成法，特别是利用矿物原料时，先进行铝元素和铁元素比例的调整，氧化时采用空气，能降低成本且简化合成工艺。

3.3 需开发新型产品，扩展应用范围

在制备PAFS时，多采用含铁量大而含铝量小的配方，实际上可以根据原料的特点，改进工艺，以尽可能少的额外添加铁元素或铝元素来合成不同铁铝含量的PAFS，并使其性能达到相关要求。还可以根据多数矿物原料富含硅元素的特点，开发含硅的聚合硫酸铝铁硅等多种产品，并扩展其在水处理领域的应用范围。