聚合硫酸鐵的制備綜合試驗

目錄TOC\o"1-5"\h\z1摘要32.關(guān)鍵詞3.引言3.原理4聚合硫酸鐵的作用原理4聚合硫酸鐵的制備方法4生產(chǎn)流程圖6實驗儀器與試劑7結(jié)果與討論8實驗內(nèi)容與實驗現(xiàn)象8聚合硫酸鐵各項指標(biāo)主要性能指標(biāo)的測定8聚合硫酸鐵的混凝效果試驗8實驗結(jié)果9實驗討論10\o"CurrentDocument".結(jié)論11.參考文獻(xiàn)12.組員13聚合硫酸鐵的制備及混凝性能測試摘要:聚合硫酸鐵是一種新型、優(yōu)質(zhì)、高效鐵鹽類無機(jī)高分子混凝劑。用于制顏料、藥物，并用作媒染劑、凈水劑等聚合硫酸鐵作用一用于原水凈化，污水處理，回收,醫(yī)藥、制革、制糖工業(yè)；一種新型高效的絮凝劑。主要用于生活飲用水及工業(yè)用水的凈化。也可對各種工業(yè)廢水與城市污水（如食品、皮革、礦山、冶金、印染、造紙、石油等廢水）進(jìn)行凈化處理，在水處理領(lǐng)域中有著良好的應(yīng)用前景，研充聚合硫酸鐵的制備方法及其反應(yīng)各方面的因素，并從其制備過程中學(xué)習(xí)無極聚合物密度、黏度、濁度的測定等方法。關(guān)鍵字:聚合硫酸鐵混凝劑無機(jī)高分子水處理引言：聚合硫酸鐵（PFS）也稱堿式硫酸鐵或羥基硫酸鐵，是一種無機(jī)高分子絮凝劑。與其他絮凝劑如三氯化鐵，硫酸鋁,氯化硫酸鐵，堿式氯化鋁等相比，聚合硫酸鐵生產(chǎn)成本低、投加量少、適用PH范圍廣、雜質(zhì)（濁度、C0D、懸浮物等）去除率高、殘留物濃度低、磯花沉降速度快、脫色效果好，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水，城市污水，工業(yè)用水以及生活飲用水的凈化處理。聚合硫酸鐵(PFS)的生產(chǎn)方法多種多樣，根據(jù)使用的氧化劑，可將制備方法大致分為空氣氧化法、硝酸氧化法、氯酸鹽和雙氧水氧化法。但無論是哪種氧化劑，都是經(jīng)過氧化、水解、聚合制得聚合硫酸鐵(PFS)o直接氧化七水合硫酸亞鐵合成聚合硫酸鐵，探索了最佳合成條件。利用本法生產(chǎn)聚合硫酸鐵，設(shè)備簡單、生產(chǎn)周期短、無污染、反應(yīng)不用催化劑、產(chǎn)品不含雜質(zhì)、穩(wěn)定性高，對工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用.它具有很強(qiáng)的中和懸浮顆粒物的能力，有很大的比表面枳和很強(qiáng)的吸附能力，是現(xiàn)在最高效凈水劑之一。同其它無機(jī)高分子混凝劑相比：具有較強(qiáng)的吸附、絮橋、凝聚沉淀性能，且絮凝體形成大而快，絮體不易破碎，重凝性能好，沉淀后的水過濾快，凈水PH值范圍寬等優(yōu)點，有顯著的除濁、除菌、除臭、除藻、脫色、脫油、脫水、去除水中COD、BOD及重金屬離子等功效；與有機(jī)絮凝劑相比，它具有價格低廉，成本低的優(yōu)點。同時，聚合硫酸鐵具有安全無毒，對水體的溫度和pH值適應(yīng)廣泛以及制備材料與過程簡單等的優(yōu)點，成為現(xiàn)在社會污水凈水劑主要使用產(chǎn)品之一。聚合硫酸鐵因其優(yōu)良的絮凝效果被廣泛應(yīng)用于飲用水、城市污水、污泥脫水、工業(yè)用水、各種工業(yè)廢水等的凈化處理。2.原理：2.1聚合硫酸鐵的作用原理聚合硫酸鐵(PFS)也稱堿式硫酸鐵或羥基硫酸鐵，分子式一般可表示為[Fe2(OH)n(S04)3-n/2]m,是硫酸鐵在水解絮凝過程中的中間產(chǎn)物之一。液體聚合硫酸鐵本身含有大量的聚合陽離子，如[Fe3(0H)4]*、[Fe6(OH)“]”、[Fe,0(OH)4]"等，其在水溶液中存在著[Fe(H：0)6]3+.[Fe2(H20)3L、[Fe(H：0)=]3一等絡(luò)合陽離子。它們通過羥基(0H)架橋形成多核絡(luò)離子，從而形成巨大的無機(jī)高分子化合物，相對分子量高達(dá)1*10=由于上述絡(luò)合離子的存在，PFS能夠強(qiáng)烈地吸附膠體微粒，通過粘附、架橋、交聯(lián)促使微粒絮凝。同時伴隨一系列的物理、化學(xué)變化，可中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷，降低膠體的Zeta電位，從而破壞膠團(tuán)的穩(wěn)定性，使膠團(tuán)微粒相互碰撞而形成絮狀沉淀物。這種絮狀沉淀物表面積很大，極具吸附能力⑴。由于PFS的這種既可吸附又可脫穩(wěn)、既有粘附又有架橋的作用，使之成為性能優(yōu)越的無機(jī)高分子絮凝劑。2聚合硫酸鐵的制備方法聚合硫酸鐵（PFS）是由日本三上八州家等著手開始研究，于1974年申請了首個專利，20世紀(jì)80年代在水處理中得到廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果⑵。現(xiàn)在世界上己可以生產(chǎn)固、液兩種聚合硫酸鐵產(chǎn)品，我國自80年代以來，己陸續(xù)發(fā)展了多種原料和制備方法，目前生產(chǎn)廠家數(shù)以百計，但規(guī)模不大，工業(yè)化程度不高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，在現(xiàn)各種制備方法中，普遍存在的問題是原料利用率低、能耗高、反應(yīng)周期長、投資大、生產(chǎn)效率低及催化劑的毒性等問題。因此，如何低成本、低能耗的制備高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的PFS仍是絮凝劑研究領(lǐng)域的熱點。按制備工藝的不同，聚合硫酸鐵的制備方法可分為多種方法：直接氧化法、催化氧化法、、一步法、兩步法、微生物氧化法以及其它方法。按原料的來源不同，其制備方法：硫鐵礦法、鐵屑法、鐵礦石法、硫酸亞鐵法（直接氧化法、生物氧化法和催化氧化法）、鋼鐵酸洗廢液氧化法、其他制備方法。以上各種制備方法各有優(yōu)缺點，根據(jù)不同的設(shè)備條件及原料來源可以有選擇挑選相應(yīng)的PFS的制備方法。本實驗因在實驗室里操作，是進(jìn)行小型教學(xué)演示，為了讓學(xué)生們有一個更為感性的認(rèn)識與了解PFS的制備過程，而選擇了相對容易操作的鐵屑法制備即直接氧化法。其原理:聚合硫酸鐵是一種新型無極高分子凈水混凝劑，他是紅棕色粘稠液體，可由鐵與稀硫酸作用生成硫酸亞鐵，再用硫酸亞鐵在硫酸溶液中控制一定酸度的條件下聚合制得。（1）硫酸鐵的制備鐵屑與稀硫酸作用生成硫酸亞鐵：Fe+H：SO,-*FeSO,+H：t硫酸亞鐵在硫酸溶液中被氧化劑氧化為硫酸鐵：FeSO,+l/2S0%fl/2Fe3（S0.,）3（2）制備聚合硫酸鐵反應(yīng)中每摩爾硫酸亞鐵需要0.511101硫酸，如果硫酸用量小于0.5mol,則氧化時，氫氧根取代硫酸根而產(chǎn)生堿式鹽。它易聚合而產(chǎn)生聚合硫酸鐵：6FeS0,+KC103+3(1-n/2)H2S0,==3[Fe：(OH)n(SO.)3-a.=]+3(1-n)H：0+KC1m[Fe2(0H)n(SO,)…]-[Fe：(OH)n(S0"g]=因此，在反應(yīng)中，總硫酸根的物質(zhì)的量和總鐵物質(zhì)的量的比值：(總S0%/總Fe)應(yīng)小于1.50從反應(yīng)中可以得出，總硫酸跟物質(zhì)的量和總鐵物質(zhì)的量得比值不能高于1.50,這樣才能生成堿式硫酸鐵。硫酸亞鐵在硫酸溶液中可被氧化成硫酸鐵，若在氧化反應(yīng)過程中硫酸與硫酸亞鐵摩爾比大于3/2,則Fe，-不會發(fā)生水解，就會影響堿式硫酸鐵的制得，從而影響到聚合硫酸鐵的獲取。對此反應(yīng)中的硫酸亞鐵的氧化可采用多種方法進(jìn)行，如在催化劑存在下用空氣氧化、用氧化劑氧化(雙氧水、次氯酸鈉、氯酸鈉、硝酸等)以及電解氧化法等，本實驗采用的是氯酸鉀作為氧化劑進(jìn)行反應(yīng)制取的。如下圖：催化氧化反應(yīng)(慢反應(yīng))：TOC\o"1-5"\h\z2FeS0,+H:SO.+1/20：-Fe:(SOJ3+H;0(1)水解反應(yīng)(快反應(yīng))：Fe:(SO』)3+nH：0-Fe：(OH)n(S0.)3-n?2+n2H：：S0」(2)其中：nW2聚合反應(yīng)(快反應(yīng))：m[Fe：(OH)n(S04)3-2]-[Fe：(OH)n(SO,)3-以].(3)其中：nW2,mNf(n)反應(yīng)中的(1)反應(yīng)式催化氧化進(jìn)行較慢，只要加快(1)反應(yīng)的反應(yīng)速率，控制整個聚合反應(yīng)過程。反應(yīng)(2)、(3)的速率都是較快的，其反應(yīng)均可順利進(jìn)行。聚合硫酸鐵的分子式：[Fe2(0H)n(S04)3w2h參數(shù)指標(biāo)一一國家標(biāo)準(zhǔn)凈水劑聚合硫酸鐵(GB14591-93)項目指標(biāo)全鐵含量，％,，18.5還原性物質(zhì)（以Fe2+計）含量％,W0.15鹽基度，%9.0-14.0PH（1%水溶液）2.0-3.0W(As)含量，％,W0.0008鉛（Pb）含量，％,W0.0015不溶物含量，%,W0.53生產(chǎn)流程圖2.3.1FeSO；?7H:0的制備2.3.2聚合硫酸鐵的制備冷卻WohUsoJ—實驗儀器和試劑i>i.2.3.2聚合硫酸鐵的制備冷卻WohUsoJ—1試劑NaC103（固,工業(yè)用），F(xiàn)eSO,-7H=0（固）,H:SO,（濃,工業(yè)用），鐵屑，小鐵釘,去離子水等2儀器溫度計（0-100°C）,酸度計（PHS-3C精密PH計），品是毛細(xì)管黏度計（粘度系數(shù)0.07801）,電子天平，量筒，磁力攪拌器，濁度儀，秒表，計算器，蒸發(fā)皿，表面皿，燒杯，普通漏斗，pH試紙，吸管，移液管，玻璃棒，鑰匙，濾紙，標(biāo)準(zhǔn)比色卡，恒溫槽等結(jié)果及討論4.，實驗內(nèi)容與實驗現(xiàn)象4.1.1聚合硫酸鐵的制備若FeS04-7H20晶體的純度為95%,濃硫酸的密度為1.830g/ml,計算制備30ml聚合硫酸鐵所需的FeS04-7H20的量為23.3561g,濃硫酸為1.15mlo（1）配制硫酸溶液向燒杯中加入90ml的水，再加入1.15ml濃硫酸，加熱至40-50°C備用（也可以不用加熱因為下一步反應(yīng)為放熱反應(yīng)）（2）氧化，聚合分別稱取所需的25.35gFeS04-7H20和1.25gNaC103，各分成12份，在攪拌下分別將兩份FeS04-7H20和2份NaC103加入到上述的硫酸溶液中，攪拌lOmin后,繼續(xù)加入一份FeS04-7H2O和一份NaC103,以后每個5min加一次，為了使FeS04充分氧化，最后再多加入lgNaC103,繼續(xù)攪拌10-15min,冷卻，倒入量筒中，加水至體積為30ml。聚合硫酸鐵制備過程中，開始時為黃綠色，反應(yīng)逐漸進(jìn)行變?yōu)樯铧S色,到最后又變褐色。

2聚合硫酸鐵各項指標(biāo)主要性能指標(biāo)的測定包括密度的測定、PH值測定、粘度測定：通過天平稱量聚合硫酸鐵樣品的質(zhì)量,用量筒量取聚合硫酸鐵樣品的體積，P=m/V測量體積；用PH計測定聚合硫酸鐵在18°C的PH值:用已知粘度系數(shù)的品系毛細(xì)血管粘度計在室溫下測定聚合硫酸鐵的粘度。3聚合硫酸鐵的混凝效果試驗先取少量污水用光式渾濁度儀測其濁度，再在1000ML水樣中加20ppm（以Fe計）聚合硫酸鐵，取1ml配制好的聚合硫酸鐵溶液加水稀釋到100ml,然后取稀釋好的12.5ml作為樣品，用變速電動同步攪拌機(jī)以大速度攪拌3min后，再以較小速度的速度攪拌3min,靜止30min后，吸取上層清夜，用濁度計測其濁度。（應(yīng)用水濁度小于5）測聚合硫酸鐵粘度水樣品（龍?zhí)端?/p>

處理后的樣品水400200A.TnaGNM測聚合硫酸鐵粘度水樣品（龍?zhí)端┨幚砗蟮臉悠匪?00200A.TnaGNM經(jīng)處理后的樣品水與去離子水的比較4.4實驗結(jié)果4.4.1密度測量：p=m/v=42.99393/30=1.433g/ml4.4.2PH值測量：PH=0.784.4.3粘度測量：粘度二時間X粘度系數(shù)X密度

時間(S)粘度計常數(shù)(ma*s2)密度(kg/m3)粘度平均值(Pa*S)第一次1340.7801X10-81.433X10-11.41x10"第二次1204.4.4混那效果試驗樣品濁度未處理的池塘污水(龍?zhí)?18.9處理后的池塘水X《54.4.5產(chǎn)品指標(biāo)梁酸酸峽1網(wǎng)宜標(biāo)洲：木安帷產(chǎn)M1晶2品如棕"液們:極何洛液既驚色洛藏1.41L.3J1.441109013.?FrFu0.100.200.1012.Q30U02.0-3.04.5實驗討論制備聚合硫酸鐵實驗中加入硫酸的作用是什么？酸在聚合硫酸鐵的合成過程中有兩個作用:①作為反應(yīng)的原料參與了聚合反應(yīng);②決定體系的酸度，其用量直接影響產(chǎn)品性能。硫酸用量適當(dāng)增加對提高合成反應(yīng)是有利的。但硫酸用量太大，亞鐵離子氧化不完全，樣品顏色由紅褐色變?yōu)辄S綠色，且大部分鐵離子沒有參與聚合，導(dǎo)致鹽基度很低，合成失??；硫酸量不足，量越少，生成Fe(OH)3趨勢越大，硫即溶液中［0H-］相對較大為什么聚合硫酸鐵能將懸浮物除去？生成的的聚合硫酸鐵進(jìn)一步稀釋時形成Fe(OH)3膠體，形成沉淀，吸附，絮凝等作用，使水相中的懸浮沉降析出。3）為什么試驗中懸浮物不易沉降？解決方法是什么？實驗室的溫度過低，加入的絮凝劑不足等引起絮狀物顆粒太小不易沉降。用恒溫箱或酒精燈加熱使絮狀物積聚沉淀。5.結(jié)論（1）硫酸用量是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。在實驗范圍內(nèi)，增加硫酸用量顯著提高產(chǎn)品性能，當(dāng)硫酸與Fe"的物質(zhì)的量之比小于1.5,在1.25產(chǎn)品性能良好。（2）液體的粘度是相近液層之間發(fā)生相對運(yùn)動時的剪切阻力，阻力大小與液體內(nèi)粒之間的作用有關(guān)，作用力大，剪切阻力大，粘度也大。3）反應(yīng)過程中，硫酸的投入量對反應(yīng)影響較大，如果加入的硫酸太少，則溶液中的H+太低，這對于Fe"氧化生成的反應(yīng)有不利影響。而硫酸太多又會影響硫酸亞鐵的溶解度,其最佳質(zhì)量比為FeSOi.7H：O:H：SO=1:O.44^0.454）試驗中如果溫度不夠的話，由于加入的聚合硫酸鐵為少量也會影響絮狀物體的沉降，因為絮狀物是分散的密度比水要小難以結(jié)團(tuán)，只有通過加熱的方法是絮狀物劇烈運(yùn)動結(jié)合在一起，使之沉降到底部。5）實驗證明聚合硫酸鐵具有吸附性，可以將水中的雜質(zhì)凝聚在一起，是極好的混凝劑。它能很好的處理污染的水體，具有很好的發(fā)展前途。6）此次綜合性實驗使我們對聚合硫酸鐵的實驗室制法得到了很好的掌握，并親自驗證了聚合硫酸鐵的凈水功能及凈水過程中的操作。在之外通過相關(guān)的文獻(xiàn)有擴(kuò)充了對聚合硫酸的工業(yè)制法及它的其他方面的應(yīng)用的到了更多的了解。收獲了相當(dāng)多的知識。參考文獻(xiàn)[1]阮復(fù)昌，莫炳祿，公國慶等。聚合硫酸鐵的生產(chǎn)最優(yōu)化分析.化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，199512；（396~399）陸雪良，徐肖邢，曾小君等