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聚合硫酸鐵的製備技術及在製備方面的研究進展

    釋出時間│₪✘:2016年11月29日        【

聚合硫酸鐵是一種應用廣泛而且很有發展前景的絮凝劑▩✘│☁◕。由於生產聚合硫酸鐵的原料廣泛₪₪││✘、生產方法多₪↟╃•,這將有利於聚合硫酸鐵的大規模的生產與使用▩✘│☁◕。聚合硫酸鐵是目前較為理想的一種無機混凝劑₪↟╃•,與常用的三氯化鐵₪₪││✘、硫酸鋁₪₪││✘、聚合氯化鋁₪₪││✘、硫酸鐵等相比有更好的凝聚效能▩✘│☁◕。在聚合硫酸鐵製備研究方面₪↟╃•,經過多年的研究₪↟╃•,已經取得了很大的進展₪↟╃•,下面小編就給大家介紹一下聚合硫酸鐵的製備技術及在製備方面的研究進展▩✘│☁◕。

1.1硫鐵礦法

宣愛國等以硫鐵礦燒渣為原料₪↟╃•,透過酸浸₪₪││✘、氧化₪₪││✘、聚合₪₪││✘、改性等工藝所製得的聚合硫酸鐵的總鐵含量和鹽基度均符合行業標準和國家標準▩✘│☁◕。用它來處理造紙工業廢水₪↟╃•,對COD的脫除率可達90%以上▩✘│☁◕。該方法工藝簡單₪↟╃•,可操作性強▩✘│☁◕。用廢渣治理造紙廢水₪↟╃•,既解決了硫酸工業燒渣的堆放及汙染₪↟╃•,又解決了造紙工業廢水排放對環境的危害₪↟╃•,為我國的廢渣綜合利用₪₪││✘、三廢綜合治理指明瞭正確的方向▩✘│☁◕。

李明玉等以硫鐵礦燒渣為原料₪↟╃•,經酸溶₪₪││✘、水解₪₪││✘、聚合得到聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。此方法生產週期短₪₪││✘、成本低₪₪││✘、無二次汙染▩✘│☁◕。結果表明₪↟╃•,用該方法生產的液體聚合硫酸鐵中試產品穩定效能好₪↟╃•,在造紙中段廢水處理中₪↟╃•,具有良好的混凝效果▩✘│☁◕。這為硫酸燒渣的綜合利用提供了一條有效的途徑₪↟╃•,達到了以廢治廢₪₪││✘、變廢為寶的目的▩✘│☁◕。

陳永亮等研究了以硫鐵礦燒渣為主要原料₪↟╃•,採用還原焙燒₪₪││✘、硫酸浸取₪₪││✘、催化氧化聚合的工藝製取聚合硫酸鐵的新方法₪↟╃•,該工藝具有原料利用率高₪₪││✘、成本低₪₪││✘、反應週期短的特點₪↟╃•,並且在製備的過程中採用了非亞硝酸鈉催化劑₪↟╃•,從而消除了產品的毒性₪↟╃•,製備的聚合硫酸鐵效能優良▩✘│☁◕。

1.2鐵屑法

馮惠臺等用廢鐵屑₪₪││✘、硫酸₪₪││✘、氯酸鈉等為原料₪↟╃•,合成了聚合硫酸鐵₪↟╃•,將聚合硫酸鐵應用於飲用水處理中取得了較好效果▩✘│☁◕。

湯海波等以廢鐵屑₪₪││✘、工業H2SO4為主要原料₪↟╃•,在催化劑NaNO2的作用下進行氧化聚合反應₪↟╃•,製得聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。用於廢水處理試驗₪↟╃•,達到滿意的效果▩✘│☁◕。

1.3鐵礦石法

黃東根等以鐵礦石和廢硫酸為原料₪↟╃•,經過破碎—溶解—中和聚合等步驟製備高濃度聚合硫酸鐵₪↟╃•,找到了一種溶解₪₪││✘、氧化引發劑₪↟╃•,既縮短了溶解時間₪↟╃•,又能使其中的亞鐵離子氧化成高鐵離子▩✘│☁◕。該方法工藝流程短₪₪││✘、裝置簡單₪₪││✘、產品質量指標穩定▩✘│☁◕。

1.4硫酸亞鐵法

硫酸亞鐵法是以亞鐵鹽為主要原料₪↟╃•,經氧化₪₪││✘、水解和聚合等反應制得聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。該聚合硫酸鐵製備中的氧化工藝一般來說有3種途徑│₪✘:直接氧化法₪₪││✘、生物氧化法和催化氧化法▩✘│☁◕。

1.4.1直接氧化法

大多數聚合硫酸鐵的製備採用直接氧化法₪↟╃•,此法工藝路線較簡單₪↟╃•,用於工業生產可以減少裝置投資和生產環節₪↟╃•,降低裝置成本₪↟╃•,但這種生產工藝必須依賴於氧化劑₪↟╃•,如│₪✘:H2O2₪₪││✘、KClO3₪₪││✘、HNO3等無機氧化劑₪↟╃•,因此產品成本高▩✘│☁◕。

(1)KClO3作為氧化劑▩✘│☁◕。黃珊等探索了以FeSO4·7H2O為原料₪↟╃•,以KClO3為氧化劑₪↟╃•,在常溫的情況下製備聚合硫酸鐵的方法▩✘│☁◕。其反應時間在2h左右▩✘│☁◕。該方法選擇KClO3作為氧化劑₪↟╃•,相對H2O2而言₪↟╃•,KClO3的價格相對較低₪↟╃•,在氧化和聚合反應過程中無需外加動力進行攪拌₪↟╃•,且大多數情況下無需加熱₪↟╃•,節省了大量的能耗▩✘│☁◕。而該方法的缺點在於₪↟╃•,實驗過程中引入了大量的Cl-₪₪││✘、K+等₪↟╃•,將影響產品質量₪↟╃•,較終需要分離除去;同時氧化劑的用量較大₪↟╃•,使成本有所提高▩✘│☁◕。

(2)H2O2作為氧化劑▩✘│☁◕。劉長讓等以硫酸亞鐵溶液₪₪││✘、過氧化氫₪₪││✘、氨水等為原料按一定的比例混合₪₪││✘、反應制備聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。結果表明│₪✘:此法生產裝置簡單₪↟╃•,可在常溫常壓下反應₪↟╃•,具有投資省₪₪││✘、成本低₪₪││✘、操作簡便的特點▩✘│☁◕。缺點是反應時間長₪↟╃•,產品中有效鐵的濃度低₪↟╃•,穩定性差₪↟╃•,不便於長期貯存和運輸▩✘│☁◕。

(3)HNO3作為氧化劑▩✘│☁◕。高磊紅等〔9〕以硫酸亞鐵₪₪││✘、硝酸₪₪││✘、碳酸氫鈉等為原料₪↟╃•,在無催化劑存在下製備了聚合硫酸鐵₪↟╃•,並確定了較佳製備條件▩✘│☁◕。該方法的特點是縮短了生產週期₪↟╃•,提高了生產效率₪↟╃•,降低了生產成本₪↟╃•,而且操作簡便₪↟╃•,在常壓狀態下即可▩✘│☁◕。但是反應中有氮氧化物氣體產生₪↟╃•,如果後處理不當₪↟╃•,會產生二次汙染▩✘│☁◕。WenpoCheng等使用微波法₪↟╃•,以HNO3作為氧化劑製備聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。該方法降低反應要求的溫度和壓力₪↟╃•,同時減少了反應時間▩✘│☁◕。

1.4.2生物氧化法

生物氧化法是以工業硫酸亞鐵為原料₪↟╃•,配製一定濃度的FeSO4溶液₪↟╃•,用H2SO4調節pH₪↟╃•,加入合適的營養物質₪↟╃•,引入混合菌種作為料液₪↟╃•,在室溫下通入空氣作氧化劑₪↟╃•,FeSO4在微生物作用下經氧化₪₪││✘、水解₪₪││✘、聚合反應得到生物聚合硫酸鐵(B聚合硫酸鐵)▩✘│☁◕。此種工藝目前還未普遍使用▩✘│☁◕。

周洪濤等透過向裝有一定量的生物聚合鐵的錐形瓶裡逐滴加入不同體積₪₪││✘、不同濃度的NaOH或濃硫酸₪↟╃•,然後在不同速度下攪拌₪↟╃•,由加藥間隔時間和藥劑的濃度來改變其鹽基度₪↟╃•,所得的B聚合硫酸鐵鹽基度不穩定₪↟╃•,單聚合硫酸鐵化合物較高₪↟╃•,過渡性低聚合硫酸鐵和較穩定的高聚合硫酸鐵含量較低₪↟╃•,且只能提高到23%▩✘│☁◕。同時發現聚合鐵的鹽基度在1%~23%時₪↟╃•,鹽基度越大₪↟╃•,混凝效果越好▩✘│☁◕。

1.4.3催化氧化法

催化氧化法一般是選用一種催化劑₪↟╃•,利用氧氣或空氣氧化製備聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。

(1)NaNO2作為催化劑▩✘│☁◕。在酸性條件下₪↟╃•,用NaNO2作為催化劑₪↟╃•,以空氣或氧氣作為氧化劑₪↟╃•,催化氧化聚合製備聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。

何琳等用亞硝酸鈉催化氧化法合成聚合硫酸鐵₪↟╃•,單因素實驗研究了反應溫度₪₪││✘、反應時間₪₪││✘、總鐵/總酸根和亞硝酸鈉量對合成的影響;正交試驗得較佳合成條件│₪✘:反應溫度55℃₪↟╃•,按m(SO42-)∶m(總Fe)=1.40∶1₪↟╃•,亞硝酸鈉(10%)量7mL₪↟╃•,硫酸亞鐵量為80g₪↟╃•,反應時間3.5h▩✘│☁◕。

向群等以硫酸亞鐵為原料₪↟╃•,氧氣為氧化劑₪↟╃•,亞硝酸鈉為催化劑₪↟╃•,催化氧化製備聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。探討了反應溫度₪₪││✘、硫酸用量₪₪││✘、助催化劑和催化劑用量對反應速率及產品質量影響▩✘│☁◕。結果表明│₪✘:所製備的聚合硫酸鐵的質量指標都符合我國合格品標準▩✘│☁◕。根據實驗得到較佳工藝條件為│₪✘:催化劑加入量4.0%~6.0%₪↟╃•,硫酸與硫酸亞鐵的物質的量比為0.31~0.37₪↟╃•,反應溫度55℃₪↟╃•,助催化劑與催化劑的質量比為0.04~0.17▩✘│☁◕。

(2)HNO3作為催化劑▩✘│☁◕。黃寶華等以FeSO4·7H2O和H2SO4為原料₪↟╃•,以HNO3為催化劑₪↟╃•,通入空氣氧化鐵(Ⅱ)製備聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。實驗表明│₪✘:m(SO42-)∶m(總Fe)=1.35~1.40為較合適的投料比例;HNO3的投料量約為原料FeSO4·7H2O投料量的4%₪↟╃•,反應溫度為60~90℃₪↟╃•,攪拌速度為400~600r/min₪↟╃•,反應時間4h▩✘│☁◕。反應後期pH基本不變;產品對活性大紅溶液的淨水處理結果較為滿意₪↟╃•,脫色率98.8%₪↟╃•,COD去除率為92%▩✘│☁◕。

(3)金屬氧化物催化劑▩✘│☁◕。向群等以FeSO4₪₪││✘、H2O₪₪││✘、H2SO4為原料₪↟╃•,以MnO2₪₪││✘、CuO₪₪││✘、ZnO等為催化劑₪↟╃•,製備聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。結果表明│₪✘:使用金屬氧化物作催化劑可得聚合硫酸鐵產品▩✘│☁◕。但金屬離子或其他離子的介入₪↟╃•,使此法制得的聚合硫酸鐵不能用於飲用水的混凝淨化▩✘│☁◕。同時增加分離裝置又增加生產投資▩✘│☁◕。

(4)亞硝醯硫酸為催化劑▩✘│☁◕。劉長讓等以亞硝醯硫酸為催化劑₪↟╃•,以空氣為反應介質₪↟╃•,製備聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。結果表明│₪✘:由於亞硝基的存在簡化了工藝過程₪↟╃•,生產成本可以顯著減少▩✘│☁◕。但是該製備過程需要一定的裝置₪↟╃•,一次性投資略高₪↟╃•,所得產物的濃度較低₪↟╃•,需要濃縮▩✘│☁◕。

1.4.4吸收塔法

李承禹等研究了在填料吸收塔中以FeSO4溶液為吸收液₪↟╃•,加入一定量的NaClO3為氧化劑₪↟╃•,利用煙氣中二氧化硫生產水處理劑聚合硫酸鐵(聚合硫酸鐵)的工藝過程▩✘│☁◕。脫硫實驗結果顯示₪↟╃•,鐵法煙氣脫硫工藝在保持較高脫硫率的同時₪↟╃•,將Fe2+氧化為Fe3+₪↟╃•,脫硫吸收液經過蒸發濃縮和固化操作₪↟╃•,較終可製得符合國家標準的聚合硫酸鐵液體和固體產品▩✘│☁◕。

羅靜芳等利用改進的填料塔反應器在低溫常壓下合成聚合硫酸鐵₪↟╃•,較好的反應條件為Fe2+1.0mol/L₪↟╃•,n(H2SO4)∶n(FeSO4·7H2O)=0.3₪↟╃•,催化劑用量0.1384g/mL₪↟╃•,60℃₪↟╃•,O2流量60mL/min▩✘│☁◕。在此條件下₪↟╃•,Fe氧化速率為0.66mol/(L·h)₪↟╃•,催化指數可達到22.3₪↟╃•,得到的聚合硫酸鐵產品的各項指標符合國家標準▩✘│☁◕。

1.5鋼鐵酸洗廢液氧化法

在鋼鐵工業和機械工業中₪↟╃•,鋼鐵件表面的酸洗是一個很重要的表面處理過程▩✘│☁◕。酸洗過程副產大量的含硫酸和硫酸亞鐵或者含鹽酸和氯化亞鐵的溶液▩✘│☁◕。這些廢液是生產聚合硫酸鐵和聚合氯化鐵的良好原料▩✘│☁◕。

謝蔚嵩等以鋼鐵硫酸酸洗廢液為原料₪↟╃•,NaClO3為氧化劑₪↟╃•,在常溫常壓下成功製得了高濃度聚合硫酸鐵溶液₪↟╃•,將其與陽離子單寧復配進一步得到了單寧-聚合硫酸鐵複合絮凝劑▩✘│☁◕。該實驗工藝方法簡單₪↟╃•,生產聚合硫酸鐵時無需任何外部加熱₪↟╃•,能耗小₪↟╃•,實現了廢物迴圈利用₪↟╃•,生產成本較低▩✘│☁◕。同時實驗產品具有較高的濃度和鹽基度₪↟╃•,穩定性也較好₪↟╃•,具有較好的水處理效果▩✘│☁◕。經過水處理試驗₪↟╃•,聚合硫酸鐵對模擬廢水的濁度去除率為90%以上₪↟╃•,而複合絮凝劑對造紙廢水的可過濾態COD去除率可達50%以上▩✘│☁◕。

1.6其他製備方法

A.D.Butler等研究以二氧化硫為原料₪↟╃•,以氯酸鹽為氧化劑來生產聚合硫酸鐵▩✘│☁◕。

LingLi等利用粉煤灰中的鐵鋁氧化物和SO2作為原料₪↟╃•,以氯酸鈉為氧化劑製備複合混凝劑▩✘│☁◕。研究表明│₪✘:該複合混凝劑能有效去除酒精發酵廢水的懸浮固體和自來水的濁度▩✘│☁◕。

聚合硫酸鐵在實際應用中返色₪₪││✘、腐蝕等問題也是今後研究的重點▩✘│☁◕。因此₪↟╃•,在今後的研究工作中應對聚合硫酸鐵的作用機理及與鋁₪₪││✘、矽進行復配改性進行深入的研究₪↟╃•,為擴大水處理劑生產和應用提供理論依據▩✘│☁◕。

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