聚合硫酸铁的制备综合试验.pdf

w大学化学实验m综合实验论文：贵州大学化学化工教学实验中心I目录1.摘要.32.关键词.33 引言.34.原理.4聚合硫酸铁的作用原理.4聚合硫酸铁的制备方法.4生产流程图.65.实验仪器与试剂.76.结果与讨论.8实验内容与实验现象.8聚合硫酸铁各项指标主要性能指标的测定.8聚合硫酸铁的混凝效果试验.8实验结果.9实验讨论.107.结论.118.参考文献.129 组员.13贰聚合硫酸铁的制备及混凝性能测试摘要:聚合硫酸铁是一种新型、优质、高效铁盐类无机高分子混凝剂。用于制颜料、药物，并用作媒染剂、净水剂等 聚合硫酸铁作用一用于原水净化，污水处理，回收,医药、制革、制糖工业；一种新型高效的絮凝剂。主要用于生活饮用水及工业用水 的净化。也可对各种工业废水与城市污水(如食品、皮革、矿山、冶金、印染、造纸、石油等废水)进行净化处理,在水处理领域中有着良好的应用前景，研究聚合硫酸铁 的制备方法及其反应各方面的因素，并从其制备过程中学习无极聚合物密度、黏度、浊度的测定等方法。关键字:聚合硫酸铁 混凝剂 无机高分子水处理1.引言：聚合硫酸铁(PFS)也称碱式硫酸铁或羟基硫酸铁，是一种无机高分子絮凝 剂。与其他絮凝剂如三氯化铁，硫酸铝,氯化硫酸铁，碱式氯化铝等相比，聚合硫酸 铁生产成本低、投加量少、适用PH范围广、杂质(浊度、COD、悬浮物等)去除率 高、残留物浓度低、矶花沉降速度快、脱色效果好，因而广泛应用于工业废水，城市 污水,工业用水以及生活饮用水的净化处理。聚合硫酸铁(PFS)的生产方法多种多样，根据使用的氧化剂,可将制备方法大致 分为空气氧化法、硝酸氧化法、氯酸盐和双氧水氧化法。但无论是哪种氧化剂，都 是经过氧化、水解、聚合制得聚合硫酸铁(PFS)。直接氧化七水合硫酸亚铁合成聚合 硫酸铁，探索了最佳合成条件。利用本法生产聚合硫酸铁，设备简单、生产周期短、无污染、反应不用催化剂、产品不含杂质、稳定性高，对工业化生产具有一定的指 导作用.它具有很强的中和悬浮颗粒物的能力，有很大的比表面积和很强的吸附能 力，是现在最高效净水剂之一。同其它无机高分子混凝剂相比：具有较强的吸附、絮桥、凝聚沉淀性能，且絮 凝体形成大而快，絮体不易破碎，重凝性能好，沉淀后的水过滤快，净水PH值范围 宽等优点，有显著的除浊、除菌、除臭、除藻、脱色、脱油、脱水、去除水中COD、BOD及重金属离子等功效；与有机絮凝剂相比，它具有价格低廉，成本低的优点。同时，聚合硫酸铁具有安全无毒，对水体的温度和pH值适应广泛以及制备材料与过 程简单等的优点，成为现在社会污水净水剂主要使用产品之一。聚合硫酸铁因其优 良的絮凝效果被广泛应用于饮用水、城市污水、污泥脱水、工业用水、各种工业废 水等的净化处理。2.原理:2.1聚合硫酸铁的作用原理聚合硫酸铁(PFS)也称碱式硫酸铁或羟基硫酸铁，分子式一般可表示为Fe2(OH)n(S04)3-n/2 m,是硫酸铁在水解絮凝过程中的中间产物之一。液体聚合 硫酸铁本身含有大量的聚合阳离子，如Fes(0H)4 5+、1 Fee(0H)I?6+、Fe4 0(OH)4 6+等，其在水溶液中存在着Fe(H20)6 3+.Fe2(H2 0)3 3+.Fe(H2 0)2 .等络合阳离子。它们通过羟基(0H)架桥形成多核络离子，从而 形成巨大的无机高分子化合物，相对分子量高达1*105。由于上述络合离子的存在，PFS能够强烈地吸附胶体微粒，通过粘附、架桥、交联促使微粒絮凝。同时伴随一系列的物理、化学变化，可中和胶体微粒及悬浮物 表面的电荷，降低胶体的Zeta电位，从而破坏胶团的稳定性，使胶团微粒相互碰 撞而形成絮状沉淀物。这种絮状沉淀物表面积很大，极具吸附能力o由于PFS的 这种既可吸附又可脱稳、既有粘附又有架桥的作用，使之成为性能优越的无机高分 子絮凝剂。2.2聚合硫酸铁的制备方法聚合硫酸铁(PFS)是由日本三上八州家等着手开始研究，于1974年申请了首 个专利，20世纪80年代在水处理中得到广泛应用，取得了良好的效果。现在世 界上已可以生产固、液两种聚合硫酸铁产品，我国自80年代以来，已陆续发展了多 种原料和制备方法，目前生产厂家数以百计，但规模不大，工业化程度不高，产品 肆质量不稳定，在现各种制备方法中，普遍存在的问题是原料利用率低、能耗高、反 应周期长、投资大、生产效率低及催化剂的毒性等问题。因此，如何低成本、低能 耗的制备高质量、高稳定性的PFS仍是絮凝剂研究领域的热点。按制备工艺的不同，聚合硫酸铁的制备方法可分为多种方法：直接氧化法、催 化氧化法、一步法、两步法、微生物氧化法以及其它方法。按原料的来源不同，其 制备方法：硫铁矿法、铁屑法、铁矿石法、硫酸亚铁法(直接氧化法、生物氧化法 和催化氧化法)、钢铁酸洗废液氧化法、其他制备方法。以上各种制备方法各有优缺 点，根据不同的设备条件及原料来源可以有选择挑选相应的PFS的制备方法。本实验 因在实验室里操作，是进行小型教学演示，为了让学生们有一个更为感性的认识与 了解PFS的制备过程，而选择了相对容易操作的铁屑法制备即直接氧化法。其原理:聚合硫酸铁是一种新型无极高分子净水混凝剂，他是红棕色粘稠液体，可由铁与 稀硫酸作用生成硫酸亚铁，再用硫酸亚铁在硫酸溶液中控制定酸度的条件下聚合 制得。(1)硫酸铁的制备铁屑与稀硫酸作用生成硫酸亚铁：Fe+H2S04 f FeS04+H2 t硫酸亚铁在硫酸溶液中被氧化剂氧化为硫酸铁：FeSO4+1/2 S0K _ l/2 Fe2(S04)3(2)制备聚合硫酸铁反应中每摩尔硫酸亚铁需要0.5mol硫酸，如果硫酸用量小于0.5mol,则氧化 时，氢氧根取代硫酸根而产生碱式盐。它易聚合而产生聚合硫酸铁：6FeS01+KC1 03+3(1-n/2)H2S04=3Fe2(OnCSOJs-n/2+3(l-n)H20+KC1m Fe2(0H)n(S04)3-/2 Fe2(OH)n(SO。3-n/2 因此，在反应中，总硫酸根的物质的量和总铁物质的量的比值：(总S0/总Fe)应小于1.50从反应中可以得出，总硫酸跟物质的量和总铁物质的量得比值不能高于L 50,这样 才能生成碱式硫酸铁。硫酸亚铁在硫酸溶液中可被氧化成硫酸铁，若在氧化反应过 伍程中硫酸与硫酸亚铁摩尔比大于3/2,则Fe，+不会发生水解，就会影响碱式硫酸铁的 制得，从而影响到聚合硫酸铁的获取。对此反应中的硫酸亚铁的氧化可采用多种方法进行，如在催化剂存在下用空气氧化、用氧化剂氧化(双氧水、次氯酸钠、氯酸钠、硝酸等)以及电解氧化法等，本实验 采用的是氯酸钾作为氧化剂进行反应制取的。如下图：催化氧化反应(慢反应)：2 FeS0.1+H 2 S04+1/202 f Fe2(SO)3+H20(1)水解反应(快反应)：Fe2(SO)3+nH 20f Fe2(OH)n(S04)3-n/2+n2 H2S0i(2)其中：nW 2聚合反应(快反应)：mFe2(0H)n(S04)3-n/2 Fe2(OH)n(S04)3-n/2 m(3)其中:nW 2,mf(n)反应中的(1)反应式催化氧化进行较慢，只要加快(1)反应的反应速率，控制整 个聚合反应过程。反应(2)、(3)的速率都是较快的，其反应均可顺利进行。聚合硫酸铁的分子式：Fe2(OH)n(SO4)3-nJ参数指标一一国家标准净水剂聚合硫酸铁(GB1 4591-93)项目指标全铁含量，%,21 8.5还原性物质(以Fe2+计)含量%,W0.15盐基度，丸9.0-1 4.0PH(1%水溶液)2.0-3.0碑(As)含量，%,W0.0008铅(Pb)含量，,W0.0015不溶物含量，,W0.5陆2.3生产流程图2.3.1 FeS04 7H20 的制备2.3.2聚合硫酸铁的制备冷却 _.Fe 式0H)=(S0j3.实验仪器和试剂3.1试剂NaCI Qj（固，工业用）,FeSO.,7H20（固）,H2S04（浓，工业用），铁屑，小铁钉,去离子水等3.2仪器温度计（0-100）,酸度计（PHS-3c精密PH计），品是毛细管黏度计（粘度系数0.07801）,柒电子天平，量筒，磁力搅拌器，浊度仪，秒表，计算器，蒸发皿，表面皿，烧 杯，普通漏斗，pH试纸，吸管，移液管，玻璃棒，钥匙，滤纸，标准比色卡，恒温槽等4.结果及讨论4.1 实验内容与实验现象4.L 1聚合硫酸铁的制备若FeS04-7H2 0晶体的纯度为95%,浓硫酸的密度为1.830g/ml,计算制备301 nl 聚合硫酸铁所需的FeS04-7H2 0的量为2 3.3561 g,浓硫酸为1.1 5ml。(1)配制硫酸溶液向烧杯中加入90nli的水，再加入1.1 5ml浓硫酸，加热至40-50备用(也 可以不用加热因为下一步反应为放热反应)(2)氧化，聚合分别称取所需的2 5.35gFeS04-7H2 0和1.2 5gNaC1 03,各分成12份，在搅拌 下分别将两份FeS04-7H20和2份NaC1 03加入到上述的硫酸溶液中，搅拌lOmin后，继续加入一份FeS04-7H2 0和一份NaC1 03,以后每个5min加一次，为了使FeS04充 分氧化，最后再多加入lgNaC1 03,继续搅拌1 0-1 5min,冷却，倒入量筒中，加水至 体积为30ml。聚合硫酸铁制备过程中，开始时为黄绿色，反应逐渐进行变为深黄色,到最后又变褐色。4.2聚合硫酸铁各项指标主要性能指标的测定包括密度的测定、PH值测定、粘度测定：通过天平称量聚合硫酸铁样品的质量,用量筒量取聚合硫酸铁样品的体积，P=m/V测量体积；用PH计测定聚合硫酸铁在 1 8C的PH值:用已知粘度系数的品系毛细血管粘度计在室温下测定聚合硫酸铁的粘 度。4.3聚合硫酸铁的混凝效果试验先取少量污水用光式浑浊度仪测其浊度，再在1 000ML水样中加2 0ppm(以Fe计)聚合硫酸铁，取1 ml配制好的聚合硫酸铁溶液加水稀释到1 00ml,然后取稀释好的 1 2.5ml作为样品，用变速电动同步搅拌机以大速度搅拌3min后，再以较小速度的速捌度搅拌3min,静止30min后，吸取上层清夜，用浊度计测其浊度。（应用水浊度小于5)测聚合硫酸铁粘度水样品（龙潭水）处理后的样品水玖经处理后的样品水与去离子水的比较4.4实验结果4.4.1 密度测量：p=m/v=42.99393/30=1.433g/ml4.4.2 PH 值测量:PH=0.784.4.3粘度测量：粘度二时间X粘度系数X密度时间(S)粘度计常数(m2*s2)密度(kg/m3)粘度平均值(Pa*S)第一次1340.7801X1 0-81.433X1 031.41 x1 0 2第二次1204.4.4混那效果试验样品浊度未处理的池塘污水(龙潭)1 8.9处理后的池塘水X5壹拾4.4.5产品指标1HI)本比心/Mt)1 M仙firSF.MUt一印加)UI1 44F产，II 090ns0 100.200 1020HO10-3.010-3.02.0-3 04.5实验讨论1)制备聚合硫酸铁实验中加入硫酸的作用是什么？酸在聚合硫酸铁的合成过程中有两个作用:作为反应的原料参与了聚合反应;决定体系的酸度，其用量直接影响产品性能。硫酸用量适当增加对提高合成反应 是有利的。但硫酸用量太大,亚铁离子氧化不完全，样品颜色由红褐色变为黄绿色，且大部分铁离子没有参与聚合,导致盐基度很低，合 成失败；硫酸量不足，量越少，生成Fe(OH)3趋势越大，硫即溶液中0HT相对较大2)为什么聚合硫酸铁能将悬浮物除去？生成的的聚合硫酸铁进一步稀释时形成Fe(OH)3胶体，形成沉淀，吸附，絮凝 等作用，使水相中的悬浮沉降析出。3)为什么试验中悬浮物不易沉降？解决方法是什么？实验室的温度过低，加入的絮凝剂不足等引起絮状物颗粒太小不易沉降。用恒 温箱或酒精灯加热使絮状物积聚沉淀。5.结论(1)硫酸用量是决定产品质量的关键。在实验范围内，增加硫酸用量显著提高产品性 能,当硫酸与Fe?+的物质的量之比小于1.5,在1.25产品性能良好。(2)液体的粘度是相近液层之间发生相对运动时的剪切阻力，阻力大小与液体内粒 之间的作用有关，作用力大，剪切阻力大，粘度也大。壹拾壹3）反应过程中，硫酸的投入量对反应影响较大，如果加入的硫酸太少，则溶液中的 H+太低，这对于Fe氧化生成的反应有不利影响。而硫酸太多又会影响硫酸亚铁的 溶解度，其最佳质量比为FeSO.,.7H20:H2S04=l:0.440.454）试验中如果温度不够的话，由于加入的聚合硫酸铁为少量也会影响絮状物体的沉 降，因为絮状物是分散的密度比水要小难以结团，只有通过加热的方法是絮状物剧 烈运动结合在一起，使之沉降到底部。5）实验证明聚合硫酸铁具有吸附性，可以将水中的杂质凝聚在一起，是极好的混凝 剂。它能很好的处理污染的水体，具有很好的发展前途。6）此次综合性实验使我们对聚合硫酸铁的实验室制法得到了很好的掌握，并亲自验 证了聚合硫酸铁的净水功能及净水过程中的操作。在之外通过相关的文献有扩充了 对聚合硫酸的工业制法及它的其他方面的应用的到了更多的了解。收获了相当多的 知识。参考文献1 阮复昌，莫炳禄，公国庆等。聚合硫酸铁的生产最优化分析.化学反应工程与工 艺，199512；（396399）2 陆雪良，徐肖邢，曾小君等。高相对分子质量聚合硫酸铁的制备新工艺研究，化 工时刊,2002,第4期3刘峙噪，方裕勋，徐琼等。聚合硫酸铁合成及性能测试，化工时刊,2003,P1 7,8 段4卢建杭，黄克玲，郑巍等。聚合硫酸铁碱化度国标测定法的一点改进，环境工 程，1 999.2,P1 7,1 段5李小江，杨光华。聚合硫酸铁中碱化度的分析方法，环境工程，1995,2,P1 3,1段壹拾贰6孙立梅，游建南。聚合硫酸铁制备新工艺中分析方法的研究，铀矿冶，2000,8,P1 9,3 段7郑怀礼，刘克万.无机高分子复合絮凝剂的研究进展及发展趋势J.水处 理技术，2004,30(6):31 5-31 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