聚合硫酸铝铁的制备及在水处理中的应用进展_孔德顺

1 PAFS 的制备研究进展
Hale Waihona Puke Baidu
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。
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%。
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。
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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， CODCr 去除率为 57.5%，SS 去除率为 93.1%。
第 42 卷 第5期
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2013 年 5 月
化工技术与开发 Technology & Development of Chemical Industry
Vol.42 No.5 May.2013
综述与进展
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）
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
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如下：
mFe2(SO4)3+0.5mAl2(SO4)3+2nH2O= [Al(OH)nSO4]m[Fe2(OH)nSO4]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)nSO4]m[Fe2(OH)nSO4]m，即 聚合硫酸铝 铁（PAFS）。
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。
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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
有盐基度高、矾花大、絮凝沉降快、用量少、去除率高、应 件下所得的红色粘稠液体为 PAFS，其盐基度可达
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。
1.3 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。FeSO4 在酸性条件和氧化剂存在的条件 下，被氧化为 Fe2(SO4)3，Fe2(SO4)3 和 Al2(SO4)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：
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硫酸亚铁 聚化 硫酸铁 聚合
含铝原料
硫酸铝
聚合硫酸铝铁 （PFAS）
图 1 聚合硫酸铝铁制备的主要工艺流程
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 Fe2+ 氧化为 Fe3+。对于可以直接 获得 Fe3+ 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。
Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑ FeO+H2SO4=FeSO4+H2O 2FeSO4+H2O2+H2SO4=Fe2(SO4)3+2H2O MnO2+2Fe3++4H+=2Fe3++Mn2++2H2O 3Fe2++NO2-+4H+=3Fe3++NO↑+2H2O 2Fe2O3+3H2SO4=2Fe2(SO4)3+3H2O 2Al2O3+3H2SO4=2Al2(SO4)3+3H2O
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%。
最重要的反应是聚合硫酸铝铁的生成，方程式
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@163.com 收稿日期：2013-02-25
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。
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化工技术与开发
第 42 卷
4 总结
总 之，以 廉 价 的 矿 物 及 含 铝 铁 元 素 的 工 业 废 弃物合成的 PAFS，其性能优于单一的聚合硫酸铁 （PFS）和聚合硫酸铝（PAC），大力发展矿物材料合 成 PAFS，能提高矿物原料的工业附加值，有利于环 境保护和经济社会的可持续发展。 参考文献：
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 CODCr 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 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]
葛旭升等 [12] 采用铝渣制备了硫酸铝，用拆解
PAFS 或 PFAS）又叫聚合硫酸铁铝、复合硫酸铝铁，聚 钢制备了硫酸亚铁，再将这二者按硫酸亚铁与硫酸
硫酸铝铁，其主要成分为 [Al(OH)nSO4]m[Fe2(OH)nSO4]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
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
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