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环亚集团改性聚合硫酸铁的合成研究

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  emica logy Sep 1996改性聚合硫酸铁的合成研究 华南理工大学化学工程研究所,广州 510641) 介绍了一种改性聚合硫酸铁的生产原理和生产方法,分析了它的净化机理, 测定了它 的净水性能, 给出了它的生产成本, 并分别探讨了改性剂用量和硫酸用量对产品盐基度及反应 速度的影响, 为投资建厂提供了一份有价值的参考材料。 关键词: 改性聚合硫酸铁 合成 聚合硫酸铁 聚合硫酸铁是硫酸铁的一种碱式聚合物,是介乎硫酸铁和氢氧化铁之间, 在硫酸铁分子 簇的网络结构中用羟基取代硫酸根离子后所形成的一种新型铁系无机高分子絮凝剂, 。可广泛地应用于生活用水、饮用水、城市污水、工业用水和工业废水等的净化处理 去除率高、残留物浓度低、适用pH 范围广 凝沉淀效果)、矾花沉降速度快。随着工业的迅猛发展和人们环保观念及保健意识的不断 市场对聚合硫酸铁的需求将会越来越大。改性聚合硫酸铁是对聚合硫酸铁传统产品的一种改造和提高, 是一种更高品质的聚合 硫酸铁产品, 其分子通式与普通的聚合硫酸铁相同。 它是在聚合硫酸铁的生产基础上, 通过 混入少量改性剂, 使羟基更容易取代硫酸根离子插入硫酸铁分子簇的网络结构, 从而大大地 提高了产品的盐基度和分子聚合度。经多间水厂的大规模试验, 改性聚合硫酸铁的絮凝效果 大大优于普通的聚合硫酸铁和碱式氯化铝, 但其生产成本在几种主要无机高分子絮凝剂中 却是最低的, 不愧是一种价廉、无毒 (经过卫生防疫部门的鉴定和检测)、高效的净水剂。其生 产工艺简单而又先进, 在现有的各种净水剂中, 其综合效果最好, 倍受行家推崇和用户欢迎, 更具时代竞争力 。与普通的聚合硫酸铁相比,其水解速度快, 絮凝块比重大, 沉降迅速, 以及各种胶体微粒等的去除效果好, 具有脱色、除臭、破乳及污泥脱水等功能, 正逐步取代碱式氯 化铝等净水剂, 用于各类水质的净化处理。 作者先前 已详细地分析了影响聚合硫酸铁生产的各主要工艺参数及其优化。本文主 1995- 12- 29 收稿。 联系人及第一作者: 博士,副教授。 290 化学反应工程与工艺 1996 要探讨影响改性聚合硫酸铁合成的两个重要因素—改性剂用量和硫酸用量,找出它们之间 的变化规律, 为工业上高品质、高效益地合成改性聚合硫酸铁提供一份重要的参考资料。 改性聚合硫酸铁的生产原理 改性聚合硫酸铁的生产原理与聚合硫酸铁的相同, 生产过程同样包含了氧化、水解和聚 合等反应。 作者曾分析了聚合硫酸铁生成机理和生产最优化, 结果发现 无论选用何种物质作催化剂, 也不论选用何种工艺操作参数, 聚合硫酸铁的生产过程包含了大量的化学反应 及传递现象, 这些化学反应和传递现象在一定的条件下又相互影响, 互相促进, 构成了一个 异常复杂的反应系统。 但从宏观上来看, 则主要发生以下 2Fe2 (SO 2H2O 氧化反应水解反应 聚合反应 4F eSO 2Fe2 (SO 2nH2O 2F e2 该种催化剂虽然用量很小, 但它不仅大大地提高了氧化、水解和聚合等反应的速度, 使反应时间由十 几小时缩短至一小时左右, 而且使聚合硫酸铁的产品质量 (盐基度等) 有了显著提高。 改性聚合硫酸铁的净水机理按照现代絮凝理论, 当可溶性 价铁离子周围的环境即刻发生了很大变化, 一下子被众多的水分子所包围, 由于 价铁离子具有较大的水解倾向,从而 引发一系列水解反应, 进而形成一系列不同形态的多核聚合物; 这些多核聚合物往往具有较 多的正电荷和较大的表面积, 能够迅速地吸附水体中带负电荷的胶体微粒及其他悬浮物。进 一步的研究还发现, 价铁盐水解而形成的一系列多核聚合物中,具有最优絮凝性能的 是那些即将完全水解生成 絮状沉淀前的临界产物。这种临界产物具有中和胶体电荷、压缩双电层及降低胶体电位的能力, 使胶体微粒由原来的相斥变为相吸, 促进了胶体微 粒、悬浮物等迅速凝聚、沉淀。由于水体中各种胶体微粒、悬浮物、有机质等的存在和影响, eCl3、F e2 (SO eClSO 等的水解速度往往没有絮凝速度那么快,从而 导致 价铁盐在水体中无法水解到形成絮状沉淀前的临界状态,絮凝效果自然较差。聚合硫 酸铁则是在工业条件下预先制成的这种临界状态产物, 从而绕过了水体中各种成分对絮凝 剂水解过程的干扰, 一旦进入水体即以最优的状态与其中的胶体微粒和悬浮物等发生絮凝 作用, 表现出优异的净水性能。 在聚合硫酸铁的液体产品中, 包含了多种含铁并带有不同正 电荷的羟基络合物, 这些含铁并带电的羟基络合物就是所谓的临界状态产物。 聚合硫酸铁的盐基度越高, 其分子聚合度越大, 形成的 羟基络合物就具有更多的电荷和更大的表面积, 在水体中可形成的矾花就更大、更重、更致 其净水性能自然也就更佳。改性聚合硫酸铁是对聚合硫酸铁传统产品的一种改造和提 产品的盐基度和分子聚合度都更高更大,其净水性能自然也就更为优越。环亚集团 291 改性聚合硫酸铁的净水性能以珠江水对几种主要的絮凝剂进行了净水性能的对比试验。 具体操作步骤如下: 絮凝剂的稀释。 用移液管准确吸取 mL絮凝剂, 放入 50 mL 容量瓶中, 加蒸馏水稀 释至刻度, 摇匀备用; 用量筒准确量取 2000 mL 珠江水, 倒入 4000 mL 玻璃缸中, 开动搅 稀释过的絮凝剂,仍以 180 的速度慢速搅拌10 (促使矾花形成)。静置20 清液测量其残余浊度。重复 次测定,测定结果取其算术平均值。 经测定, 珠江原水的 pH 10、浊度为5010 几种主要絮凝剂的净水性能Table Compar ison various im por tan locculants water- perform ce序号 絮凝剂名称 成本ƒ元吨 改性聚合硫酸铁聚合硫酸铁 410430 480 1050 19. 98 14. 53 12. 94 60. 68 1030 35 15 为原料生产的。改性聚合硫酸铁的生产调试方法 与聚合硫酸铁的生产调试方法类似, 改性聚合硫酸铁的生产过程, 除了工艺操作参数需 进行适当的调试以达到最优之外, 改性剂用量和硫酸用量是影响产品质量与生产效益的两 个主要因素。 有关工艺操作参数的最优控制战略等内容, 将另文详加报道, 此处仅考虑改性 剂用量和硫酸用量对产品盐基度及反应速度的影响。 511 硫酸用量对产品盐基度的影响 在聚合硫酸铁的生产过程中, 硫酸的投加量至关重要 。改性聚合硫酸铁的分子通式与聚合硫酸铁相同, 都可写为 100%。显然, 硫酸用量越少, 值越大,产品盐基度就越大; 反之, 硫酸用量越大, 值越小,产品盐基度亦 越小。试验结果如图 (以硝酸作催化剂,未投加改性剂) 3%改性剂 可以看出,随着硫酸初始浓度的减小, 产品盐基度不断升高, 但其数值总 比理论计算结果稍低, 这可能是因为所使用的浓硫酸 化学纯,含量 95%~ 98% 含量