聚合硫酸铁无机高分子絮凝剂的制备与评价.docx

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聚合硫酸铁无机高分子絮凝剂的制备与评价

1引言3

2聚合硫酸铁无机高分子絮凝剂的制备4

2.1合成原理4

2.2实验药品4

2.3设备与仪器4

2.4实验过程5

2.4.1反应物配比的确定5

2.4.2温度5

2.4.3实验步骤5

3产品分析与检测6

3.1全铁含量测定6

3.1.1方法原理6

3.1.2仪器与试剂6

3.1.3分析步骤6

3.1.4滴定结果7

3.1.5结果分析7

3.2亚铁含量测定7

3.2.1方法原理7

3.2.2仪器试剂8

3.2.3分析步骤8

3.2.4滴定结果8

3.2.5结果分析8

3.3盐基度含量测定9

3.3.1方法原理9

3.3.2仪器试剂9

3.3.3分析步骤9

3.3.4滴定结果9

3.3.5结果分析10

3.4去除率的测定10

3.4.1水样配置10

3.4.2数据记录与结果10

4结论12

参考文献....................................13

聚合硫酸铁无机高分子絮凝剂的制备与评价

吴军天津工业大学环化学院化工1001，天津

摘要

聚合硫酸铁的生产方法有很多，但不管哪种方法，其聚合和水解的过程都可简单表示为：

本实验以硫酸亚铁、氯酸钠和硫酸为主要原料制备聚合硫酸铁絮凝剂，考察亚铁离子与硫酸根离子配比以及反应温度对产物的影响。

我们选取了亚铁离子与硫酸根离子配比分别为1.25、1.30、1.35、1.40、1.45，反应温度分别为45℃、50℃、55℃、60℃、65℃进行实验，通过对产物的全铁含量、盐基度、亚铁含量以及去除率进行测试分析，发现在温度为55℃，配比为1.35时，制备的聚合硫酸铁无机高分子絮凝剂的效果最好。

关键词：

聚合硫酸铁；硫酸亚铁；絮凝剂；配比和温度影响

1引言

城市生活污水与工业废水中污染物是多种多样且性质各异的，往往需要采用多种处理方法结合，才能去除不同性质的污染物，达到净化的目的与排放的标准。

目前国内外水工业、水污染治理、海水淡化与节水回用净化处理工程技术领域中普遍用来提高水质处理效率的既经济又简便的水质处理方法是絮凝沉淀法。

絮凝效果的好坏会影响到水处理工艺后续流程的处理费用，甚至会影响最终出水的质量。

絮凝沉淀法的优点是设备简单、维护操作简单、处理效果好、间歇或连续运行即可。

一般来讲，絮凝剂可分为无机类絮凝剂和有机类絮凝剂。

无机类絮凝剂目前主要分为无机凝聚剂和无机高分子絮凝剂两大类。

无机絮凝剂是最早为人们使用的水处理剂。

无机絮凝剂按金属盐种类可分为铝盐和铁盐两大类；按阴离子成分又可分为盐酸系和硫酸系；按分子量可分为低分子无机絮凝剂和高分子无机絮凝剂两大类。

传统的低分子絮凝剂价格低、生产充足，但是存在用量大、残渣多、效果差等缺点。

自上世纪六十年代以来，因聚合氯化铝净水性能优越，传统使用的低分子絮凝剂如三氯化铁、硫酸铝等已经基本上淘汰。

聚合硫酸铁（PFS）是一种新型无机絮凝剂，其化学式是。

已经成功应用于给水、工业废水及城市污水处理，尤其是对微污染水质、低温、低浊、低碱度水质，除污度高达95%-98%，逐渐成为主流铁盐絮凝剂。

聚合硫酸铁的商品有两类：

Ⅰ类指液体品，为棕红色粘稠透明液体；Ⅱ类指固体品，为淡黄色无定形固体。

我国在GB14591-2006中对聚合硫酸铁产品指标做出了相应的规定，见表1-1

表1-1聚合硫酸铁产品的主要

项目

指标

Ⅰ类（液体）

Ⅱ类（固体）

密度/g.cm3（20℃）≧

1.45

全铁质量分数/%≥

11.0

19.0

还原性物质（以≤

0.10

0.15

盐基度/%≧

8．0-15.0

8．0-16.0

PH（1%水溶液）

2.0-3.0

2聚合硫酸铁无机高分子絮凝剂的制备

2.1合成原理

聚合硫酸铁的生产方法多种多样，包括了氧化、水解和聚合等反应步骤。

其反应机理相当复杂，包含了大量的基元反应，但其宏观反应动力学过程却基本一样。

由于采用不同的生产方法生产聚合硫酸铁，其氧化方式不同，氧化过程的表达方式自然也不一样，但无论何种生产方式，其水解和聚合过程都可简单表示为：

2.2实验药品

·7，浓，蒸馏水

2.3设备与仪器

带磁力搅拌的水浴锅、电子天平、250mL烧杯、量筒、胶头滴管、移液管

2.4实验过程

2.4.1反应物配比的确定

聚合硫酸铁分子式为，根据国标，盐基度B==8—15，所以n=0.48—0.9，则n（）:

n（）=1.275—1.38。

因为·7中，本身含有1个，所以需要加入的浓的物质量

n（浓）=（配比-1）×n（·7）。

在反应中，n（）:

n（）=6:

1，则n（）=×n（）。

又根据国标，全铁含量W1=≥11%

所以，则

=--。

在本实验中，加入·70.15mol，选择的亚铁离子与硫酸根离子配比依次为1.25、1.30、1.35、1.40、1.45（此时反应温度为55℃），由此计算的各物质所需称量的质量见下表

表2-1不同配比的各物质的质量

配比

物质

1.25

1.30

1.35

1.40

1.45

·7（g）

41.7

（g）

2.66

浓（g）

3.75

4.50

5.25

6.00

6.75

（g）

22.04

21.29

20.54

19.79

19.04

2.4.2温度

实验选择温度作为另一个控制变量，依次选取45℃、50℃、55℃、60℃、65℃（此时配比为1.35）进行反应。

2.4.3实验步骤

以配比为1.35，温度为55℃为例。

打开水浴锅电源，将温度调至55℃；

用电子天平依次称取41.7g·7，5.25g浓，20.54g和2.66g。

将配制成30%的溶液待用。

将·7加入到250mL烧杯中，放在水浴锅中加热，调节合适转速。

向烧杯中依次缓慢滴加浓，，反应1h。

3产品分析与检测

3.1全铁含量测定

3.1.1方法原理

在酸性介质中，使用还原性将还原为，使用钨酸钠作指示剂，标定还原反应的结果，过量的在C的催化作用下被溶解氧所氧化。

然后，用重铬酸钾溶液滴定，二苯胺磺酸钠为指示剂，指示滴定反应的完成。

根据称取PFS样品的质量、滴定消耗重铬酸钾标准滴定溶液的体积以及重铬酸钾标准滴定溶液的浓度，即可求出PFS样品中全铁含量，主要反应如下：

+=+

+6+14=+6+7

3.1.2仪器与试剂

仪器：

电子天平、酸式滴定管、锥形瓶。

试剂：

重铬酸钾溶液（0.02mol/L）,硫酸铜溶液（5g/L），三氯化铁溶液，盐酸（1:

1），硫酸（1:

1），磷酸（15:

85），钨酸钠指示剂，二苯胺磺酸钠指示剂（5g/L）。

3.1.3分析步骤

称取0.1-0.15g试样，置于150mL锥形瓶中，加体积比为1:

1的硫酸溶液5mL，体积比为1:

1的盐酸溶液5mL和钨酸钠指示剂0.5mL。

在不断摇动下，逐滴加入三氯化钛溶液直至溶液刚好出现蓝色为止。

用水冲洗锥形瓶内壁，并稀释至大约75mL。

加入2滴硫酸铜溶液，充分摇动，待溶液蓝色消失后，加入体积比为15:

85的磷酸溶液5mL和2滴二苯胺磺酸钠指示剂，立即用重铬酸钾溶液滴定至紫色（30s不退色）即为终点。

3.1.4滴定结果

滴定的结果如下表所示：

表3-1不同配比产品的全铁含量滴定结果

配比

项目

1.25

1.30

1.35

1.40

1.45

样品质量（g）

0.11

0.12

0.13

0.12

消耗标准液体积（mL）

2.15

2.60

2.80

2.55

2.40

全铁含量%

13.13

14.56

14.47

14.28

13.44

表3-2不同温度下产品的全铁含量滴定结果

温度（℃）

项目

样品质量（g）

0.15

0.11

0.13

0.12

0.15

消耗标准液体积（mL）

3.00

2.10

2.80

2.50

2.80

全铁含量%

13.44

12.82

14.47

14.00

12.54

3.1.5结果分析

由上述滴定结果可以看出，所有产品的全铁含量都符合≥11%的国标，从这点来说，所有产品都是符合要求的。

3.2亚铁含量测定

3.2.1方法原理

在酸性溶液中，将氧化为，本身被还原为M。

过量的将使溶液呈微红色，指示滴定终点到达。

根据称取的PFS样品的质量、滴定消耗高锰酸钾标准滴定溶液的体积以及高锰酸钾标准滴定溶液的浓度，即可求出PFS样品中亚铁的含量，主要反应如下：

+5+8=M+5+8

由于实验用水可能含有还原性物质，因此必须作空白实验。

3.2.2仪器试剂

仪器：

电子天平、酸式滴定管、锥形瓶。

试剂：

高锰酸钾（0.02mol/L）、硫酸、磷酸。

3.2.3分析步骤

称取约2g试样，置于150mL锥形瓶中，加水60mL,加入1.6mL硫酸，1.6mL磷酸，摇匀，用高锰酸钾溶液滴定至微红色（30s不退色）即为终点，同时做空白实验。

3.2.4滴定结果

滴定结果如下表所示：

表3-3不同配比产品的亚铁含量滴定结果

配比

项目

1.25

1.30

1.35

1.40

1.45

样品质量（g）

2.00

空白消耗标准液体积（mL）

0.05

消耗标准液体积（mL）

0.38

0.37

0.36

0.37

亚铁含量%

0.092

0.090

0.087

0.090

表3-4不同温度产品的亚铁含量滴定结果

温度（℃）

项目

样品质量（g）

2.00

空白消耗标准液体积（mL）

0.05

消耗标准液体积（mL）

0.38

0.40

0.36

0.41

0.42

亚铁含量%

0.092

0.098

0.087

0.100

0.104

3.2.5结果分析

从上面滴定结果可以看出，除了65℃的产品的亚铁含量大于了0.1%，剩下所有产品的亚铁含量都符合国标≤0.1%的要求。

从表中还可以发现，当温度为55℃，配比为1.35,时，亚铁含量最低，说明在这个条件下，反应的最完全。

所以，就亚铁含量而言，温度为55℃，配比为1.35的反应条件是最佳的。

3.3盐基度含量测定

3.3.1方法原理

盐基度表示羟基的质量与Fe（Ⅲ）质量比值，是一项关系到产品稳定性及絮凝性能的重要指标。

由于铁盐水解会给盐基度的猜测定带来困难，因此测定盐基度时必须掩蔽铁。

在酸性条件下，KF可以有效的掩蔽铁，且滴定终点敏锐。

在一定量试样中加入定量过量的盐酸标准溶液，再加入KF溶液掩蔽铁，以酚酞作指示剂，同NaOH标准溶液滴定至终点，用蒸馏水在同样的条件下作空白实验，根据试样消耗的NaOH标准溶液的体积，空白消耗的NaOH的体积，NaOH标准溶液的浓度和试样的质量，既可以求出以质量分数表示的盐基度。

3.3.2仪器试剂

仪器：

电子天平、酸式滴定管、移液管、锥形瓶。

试剂：

盐酸标准溶液、NaOH标准溶液、酚酞指示剂、KF溶液。

3.3.3分析步骤

称取1.20-1.30g试样，置于150mL锥形瓶中，用移液管移入25.00mL盐酸标准溶液，加入20.00mL煮沸后的蒸馏水，摇匀，加入酚酞指示剂，盖上表面皿，在室温下放置10min。

用移液管移入KF溶液10mL，摇匀，加入5滴酚酞指示剂，立即用NaOH标准溶液滴定至粉红色（30s不退色）为终点。

用煮沸后的蒸馏水代替试样作空白实验。

3.3.4滴定结果

滴定结果如下所示：

表3-5不同配比产品的盐基度滴定结果

配比

项目

1.25

1.30

1.35

1.40

1.45

样品质量（g）

1.22

1.27

1.25

1.22

1.25

空白消耗标准液体积（mL）

51.00

51.10

50.80

51.10

51.00

消耗标准液体积（mL）

38.64

38.38

40.00

41.30

42.60

盐基度%

14.51

12.93

11.22

10.57

9.40

表3-6不同温度产品的盐基度滴定结果

温度（℃）

项目

样品质量（g）

1.24

1.28

1.25

1.24

空白消耗标准液体积（mL）

52.50

51.10

50.80

50.60

51.00

消耗标准液体积（mL）

42.00

41.20

40.00

40.10

盐基度%

11.85

11.36

11.22

11.49

13.31

3.3.5结果分析

从上面结果可以发现，所有产品的盐基度都符合国标在8-15之间。

且盐基度随着配比的增加而减小，随着温度的增加没有明显的变化趋势。

3.4去除率的测定

3.4.1水样配置

高岭土常用于制备人工模拟悬浊液，高岭土加入到自来水中，配制成高岭土悬浊液，静置30min后取上层悬浊液备用，此溶液呈浅白色浑浊状，测定其浊度。

取500mL悬浊液，加入0.1mL试样，快速搅拌1min，然后再慢搅10min，静置20min后取上清液进行浊度测定。

3.4.2数据记录与结果

表3-7不同配比产品浊度测试结果

时间min

浊度

配比

去除率%

1.25

122.3

44.1

32.3

27.6

23.8

19.5

18.4

84.96

1.30

106.1

34.1

13.5

9.5

8.4

7.4

7.2

93.21

1.35

96.6

24.5

10.2

8.8

7.8

7.3

6.4

93.37

1.40

137.4

82.9

36.8

29.2

26.0

25.2

20.2

85.30

1.45

112.1

29.4

25.5

21.8

19.9

18.3

17.7

84.21

图3-1不同配比产品浊度随时间的变化

表3-7不同温度产品浊度测试结果

时间min

浊度

温度℃

去除率%

102.9

55.1

51.6

49.6

47.2

42.7

40.2

60.93

125.0

28.9

26.0

22.8

20.8

20.3

19.2

84.64

96.6

24.5

10.2

8.8

7.8

7.3

6.4

93.37

147.0

54.5

49.6

37.7

36.4

34.9

33.4

77.28

167.8

37.9

34.2

30.2

29.6

27.7

26.5

84.21

图3-2不同温度产品浊度随时间的变化

3.4.3结果分析

通过对不同配比和不同温度下的产品浊度测试可以发现，当配比为1.35，温度为55℃时，所制备的絮凝剂的去除率最高，达到93.37%。

因此，单就去除率而言，配比为1.35，温度为55℃是反应的最佳条件。

4结论

本实验选取亚铁离子与硫酸根离子配比分别为1.25、1.30、1.35、1.40、1.45，反应温度分别为45℃、50℃、55℃、60℃、65℃进行实验，通过对产物的全铁含量、盐基度测试发现，所有的产品基本上都符合国标要求。

但就亚铁含量以及去除率而言，在温度为55℃，配比为1.35时，制备的聚合硫酸铁无机高分子絮凝剂的效果最好。

因此，综上所述，温度为55℃，亚铁离子与硫酸根离子配比为1.35是制备聚合硫酸铁无机高分子絮凝剂的最佳条件。

参考文献

[1]王发利.用硫酸亚铁制备聚合硫酸铁絮凝剂[J].陕西化工,1992.

[2]阮复昌，莫丙禄，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.1995.

[3]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.

[4]刘峙嵘，方裕勋，徐琼.聚合硫酸铁合成及性能测试.化工时刊.2003

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