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聚合硫酸铁的制备技术及在制备方面的研究进展

    发布时间:2016年11月29日    点击数:1711   【

聚合硫酸铁是一种应用广泛而且很有发展前景的絮凝剂。由于生产聚合硫酸铁的原料广泛、生产方法多,这将有利于聚合硫酸铁的大规模的生产与使用。聚合硫酸铁是目前较为理想的一种无机混凝剂,与常用的三氯化铁、硫酸铝、聚合氯化铝、硫酸铁等相比有更好的凝聚性能。在聚合硫酸铁制备研究方面,经过多年的研究,已经取得了很大的进展,下面小编就给大家介绍一下聚合硫酸铁的制备技术及在制备方面的研究进展。

1.1硫铁矿法

宣爱国等以硫铁矿烧渣为原料,通过酸浸、氧化、聚合、改性等工艺所制得的聚合硫酸铁的总铁含量和盐基度均符合行业标准和国家标准。用它来处理造纸工业废水,对COD的脱除率可达90%以上。该方法工艺简单,可操作性强。用废渣治理造纸废水,既解决了硫酸工业烧渣的堆放及污染,又解决了造纸工业废水排放对环境的危害,为我国的废渣综合利用、三废综合治理指明了正确的方向。

李明玉等以硫铁矿烧渣为原料,经酸溶、水解、聚合得到聚合硫酸铁。此方法生产周期短、成本低、无二次污染。结果表明,用该方法生产的液体聚合硫酸铁中试产品稳定性能好,在造纸中段废水处理中,具有良好的混凝效果。这为硫酸烧渣的综合利用提供了一条有效的途径,达到了以废治废、变废为宝的目的。

陈永亮等研究了以硫铁矿烧渣为主要原料,采用还原焙烧、硫酸浸取、催化氧化聚合的工艺制取聚合硫酸铁的新方法,该工艺具有原料利用率高、成本低、反应周期短的特点,并且在制备的过程中采用了非亚硝酸钠催化剂,从而消除了产品的毒性,制备的聚合硫酸铁性能优良。

1.2铁屑法

冯惠台等用废铁屑、硫酸、氯酸钠等为原料,合成了聚合硫酸铁,将聚合硫酸铁应用于饮用水处理中取得了较好效果。

汤海波等以废铁屑、工业H2SO4为主要原料,在催化剂NaNO2的作用下进行氧化聚合反应,制得聚合硫酸铁。用于废水处理试验,达到满意的效果。

1.3铁矿石法

黄东根等以铁矿石和废硫酸为原料,经过破碎—溶解—中和聚合等步骤制备高浓度聚合硫酸铁,找到了一种溶解、氧化引发剂,既缩短了溶解时间,又能使其中的亚铁离子氧化成高铁离子。该方法工艺流程短、设备简单、产品质量指标稳定。

1.4硫酸亚铁法

硫酸亚铁法是以亚铁盐为主要原料,经氧化、水解和聚合等反应制得聚合硫酸铁。该聚合硫酸铁制备中的氧化工艺一般来说有3种途径:直接氧化法、生物氧化法和催化氧化法。

1.4.1直接氧化法

大多数聚合硫酸铁的制备采用直接氧化法,此法工艺路线较简单,用于工业生产可以减少设备投资和生产环节,降低设备成本,但这种生产工艺必须依赖于氧化剂,如:H2O2、KClO3、HNO3等无机氧化剂,因此产品成本高。

(1)KClO3作为氧化剂。黄珊等探索了以FeSO4·7H2O为原料,以KClO3为氧化剂,在常温的情况下制备聚合硫酸铁的方法。其反应时间在2h左右。该方法选择KClO3作为氧化剂,相对H2O2而言,KClO3的价格相对较低,在氧化和聚合反应过程中无需外加动力进行搅拌,且大多数情况下无需加热,节省了大量的能耗。而该方法的缺点在于,实验过程中引入了大量的Cl-、K+等,将影响产品质量,最终需要分离除去;同时氧化剂的用量较大,使成本有所提高。

(2)H2O2作为氧化剂。刘长让等以硫酸亚铁溶液、过氧化氢、氨水等为原料按一定的比例混合、反应制备聚合硫酸铁。结果表明:此法生产设备简单,可在常温常压下反应,具有投资省、成本低、操作简便的特点。缺点是反应时间长,产品中有效铁的浓度低,稳定性差,不便于长期贮存和运输。

(3)HNO3作为氧化剂。高磊红等〔9〕以硫酸亚铁、硝酸、碳酸氢钠等为原料,在无催化剂存在下制备了聚合硫酸铁,并确定了最佳制备条件。该方法的特点是缩短了生产周期,提高了生产效率,降低了生产成本,而且操作简便,在常压状态下即可。但是反应中有氮氧化物气体产生,如果后处理不当,会产生二次污染。WenpoCheng等使用微波法,以HNO3作为氧化剂制备聚合硫酸铁。该方法降低反应要求的温度和压力,同时减少了反应时间。

1.4.2生物氧化法

生物氧化法是以工业硫酸亚铁为原料,配制一定浓度的FeSO4溶液,用H2SO4调节pH,加入合适的营养物质,引入混合菌种作为料液,在室温下通入空气作氧化剂,FeSO4在微生物作用下经氧化、水解、聚合反应得到生物聚合硫酸铁(B聚合硫酸铁)。此种工艺目前还未普遍使用。

周洪涛等通过向装有一定量的生物聚合铁的锥形瓶里逐滴加入不同体积、不同浓度的NaOH或浓硫酸,然后在不同速度下搅拌,由加药间隔时间和药剂的浓度来改变其盐基度,所得的B聚合硫酸铁盐基度不稳定,单聚合硫酸铁化合物较高,过渡性低聚合硫酸铁和较稳定的高聚合硫酸铁含量较低,且只能提高到23%。同时发现聚合铁的盐基度在1%~23%时,盐基度越大,混凝效果越好。

1.4.3催化氧化法

催化氧化法一般是选用一种催化剂,利用氧气或空气氧化制备聚合硫酸铁。

(1)NaNO2作为催化剂。在酸性条件下,用NaNO2作为催化剂,以空气或氧气作为氧化剂,催化氧化聚合制备聚合硫酸铁。

何琳等用亚硝酸钠催化氧化法合成聚合硫酸铁,单因素实验研究了反应温度、反应时间、总铁/总酸根和亚硝酸钠量对合成的影响;正交试验得最佳合成条件:反应温度55℃,按m(SO42-)∶m(总Fe)=1.40∶1,亚硝酸钠(10%)量7mL,硫酸亚铁量为80g,反应时间3.5h。

向群等以硫酸亚铁为原料,氧气为氧化剂,亚硝酸钠为催化剂,催化氧化制备聚合硫酸铁。探讨了反应温度、硫酸用量、助催化剂和催化剂用量对反应速率及产品质量影响。结果表明:所制备的聚合硫酸铁的质量指标都符合我国合格品标准。根据实验得到最佳工艺条件为:催化剂加入量4.0%~6.0%,硫酸与硫酸亚铁的物质的量比为0.31~0.37,反应温度55℃,助催化剂与催化剂的质量比为0.04~0.17。

(2)HNO3作为催化剂。黄宝华等以FeSO4·7H2O和H2SO4为原料,以HNO3为催化剂,通入空气氧化铁(Ⅱ)制备聚合硫酸铁。实验表明:m(SO42-)∶m(总Fe)=1.35~1.40为较合适的投料比例;HNO3的投料量约为原料FeSO4·7H2O投料量的4%,反应温度为60~90℃,搅拌速度为400~600r/min,反应时间4h。反应后期pH基本不变;产品对活性大红溶液的净水处理结果较为满意,脱色率98.8%,COD去除率为92%。

(3)金属氧化物催化剂。向群等以FeSO4、H2O、H2SO4为原料,以MnO2、CuO、ZnO等为催化剂,制备聚合硫酸铁。结果表明:使用金属氧化物作催化剂可得聚合硫酸铁产品。但金属离子或其他离子的介入,使此法制得的聚合硫酸铁不能用于饮用水的混凝净化。同时增加分离设备又增加生产投资。

(4)亚硝酰硫酸为催化剂。刘长让等以亚硝酰硫酸为催化剂,以空气为反应介质,制备聚合硫酸铁。结果表明:由于亚硝基的存在简化了工艺过程,生产成本可以显著减少。但是该制备过程需要一定的设备,一次性投资略高,所得产物的浓度较低,需要浓缩。

1.4.4吸收塔法

李承禹等研究了在填料吸收塔中以FeSO4溶液为吸收液,加入一定量的NaClO3为氧化剂,利用烟气中二氧化硫生产水处理剂聚合硫酸铁(聚合硫酸铁)的工艺过程。脱硫实验结果显示,铁法烟气脱硫工艺在保持较高脱硫率的同时,将Fe2+氧化为Fe3+,脱硫吸收液经过蒸发浓缩和固化操作,最终可制得符合国家标准的聚合硫酸铁液体和固体产品。

罗静芳等利用改进的填料塔反应器在低温常压下合成聚合硫酸铁,较好的反应条件为Fe2+1.0mol/L,n(H2SO4)∶n(FeSO4·7H2O)=0.3,催化剂用量0.1384g/mL,60℃,O2流量60mL/min。在此条件下,Fe氧化速率为0.66mol/(L·h),催化指数可达到22.3,得到的聚合硫酸铁产品的各项指标符合国家标准。

1.5钢铁酸洗废液氧化法

在钢铁工业和机械工业中,钢铁件表面的酸洗是一个很重要的表面处理过程。酸洗过程副产大量的含硫酸和硫酸亚铁或者含盐酸和氯化亚铁的溶液。这些废液是生产聚合硫酸铁和聚合氯化铁的良好原料。

谢蔚嵩等以钢铁硫酸酸洗废液为原料,NaClO3为氧化剂,在常温常压下成功制得了高浓度聚合硫酸铁溶液,将其与阳离子单宁复配进一步得到了单宁-聚合硫酸铁复合絮凝剂。该实验工艺方法简单,生产聚合硫酸铁时无需任何外部加热,能耗小,实现了废物循环利用,生产成本较低。同时实验产品具有较高的浓度和盐基度,稳定性也较好,具有较好的水处理效果。经过水处理试验,聚合硫酸铁对模拟废水的浊度去除率为90%以上,而复合絮凝剂对造纸废水的可过滤态COD去除率可达50%以上。

1.6其他制备方法

A.D.Butler等研究以二氧化硫为原料,以氯酸盐为氧化剂来生产聚合硫酸铁。

LingLi等利用粉煤灰中的铁铝氧化物和SO2作为原料,以氯酸钠为氧化剂制备复合混凝剂。研究表明:该复合混凝剂能有效去除酒精发酵废水的悬浮固体和自来水的浊度。

聚合硫酸铁在实际应用中返色、腐蚀等问题也是今后研究的重点。因此,在今后的研究工作中应对聚合硫酸铁的作用机理及与铝、硅进行复配改性进行深入的研究,为扩大水处理剂生产和应用提供理论依据。

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