噴霧型聚合硫酸鐵的制備原理及制備流程

隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展，對水的需求量日益增大，由于地下水的開采已經遠遠不能滿足要求，而地表水的處理和污水處理回用應用日益廣泛，水處理劑的用量也不斷增大，目前廣泛使用的凈水劑有聚合氯化鋁、硫酸鋁、氯化鐵、氯化硫酸鐵、以及近年來迅速發(fā)展的聚合硫酸鐵、聚合氯化鐵和鐵鋁復合劑以及有機無機復合凈水劑等日益受到人們的關注。聚合硫酸鐵或堿式硫酸鐵之所以發(fā)展迅速，主要是因為與低分子混凝劑相比，具有絮凝體形成速度快，顆粒密度大，沉降速度快對于各種水的化學需氧量和生化需氧量以及色度、微生物等有較高的去除效果，并且對于處理水的溫度和pH值適應范圍廣，另外原料價格低廉，生產成本較低，受到廣大水處理工作者的歡迎。

l制備原理

目前生產聚合硫酸鐵的方法很多，例如空氣（氧氣）的催化氧化法、氯酸鉀（鈉）氧化法、硫鐵礦灰加壓酸溶法、四氧化三鐵礦石酸溶氧化法等。無論以何種原料為基礎生產，均是采用控制硫酸根離子與鐵離子比例小于3/2的方法，制得不同鹽基度的聚合硫酸鐵。在以硫鐵礦灰生產聚合硫酸鐵時，由于它含有少量的皿鐵離子，只需加壓溶出三價鐵離子就可以制得聚合硫酸鐵，而以其他原料生產時，往往需要將亞鐵離子氧化形成聚合硫酸鐵。亞鐵離子的氧化過程要求氧化劑速度快、容易制備、價格低廉，只有這樣才能廣泛地應用于生產，目前使用的氧化劑較多，例如過氧化氫、氯酸鹽、氧氣或空氣、次氯酸鹽、硝酸等，由于制造成本的限制，采用空氣或氧氣氧化法較多。氧氣氧化法又有氮氧化物催化法和二氧化錳催化法。

硫酸亞鐵在硫酸溶液中進行氧化，如果硫酸：硫酸亞鐵<3/2，則三價鐵離子發(fā)生水解，產生部分氫離子和各種羥基鐵離子。

水解產生的氫離子反過來又能保證氧化還原反應所需的氫離子，調整上述比值，就可以制得所需鹽基度的聚合硫酸鐵。如果控制上述比值大于3／2，則可以制得含游離酸的硫酸鐵溶液。目前國內多采用氯酸鹽氧化法和氧氣氧氣法，前者用的氧化劑價較貴，盡管生產工藝十分簡單，但總的生產成本相對后者較高，在以氮氧化物為催化劑用空氣與用氧氣氧化法的生產原理是完全一樣的。利用這一原理生產聚合硫酸鐵的工藝很多，技術水平狀況差別也很大。

氧是一種非常強的氧化劑，其氧化還原電位為E(O2／H2O)=1.23V，可以將結晶硫酸亞鐵直接氧化成堿式硫酸鐵，反應方程式如下：

4FeS04+O2+2H20=4Fe(OH)S04(1)

此反應在空氣中就能緩慢地進行，如果在高溫條件下，則能迅速氧化，這也是直接生產固體聚合硫酸鐵的原理。

在酸性溶液中亞鐵離子的氧化速度則非常緩慢，如果在氮氧化物或二氧化錳的催化下，反應能很快地進行，二氧化錳催化法由于較終產品含有一定量的二價錳而不能用于飲用水的處理，而前者則不存在此問題。氮氧化物的催化氧化過程是一個氣液反應，反應速度由氣體的吸收速度所控制，只有加快氣體的溶解速度才能提高反應速度，縮短反應周期。為此有兩條途徑可以選擇，一是提高氣相壓力，一是加大氣液反應表面積，或者兩者結合以達到加快反應速度的目的。根據已往的試驗結果發(fā)現加大氣液反應表面積的效果要比提高壓力的作用大，對于一定量的液體，在霧化過程中液滴越小，其表面積越人，氣體的吸收速度也越快，因此我們設計了噴霧法生產聚合硫酸鐵的新工藝。

制備過程中反應不斷循環(huán)，直到亞鐵離子完全氧化。上述反應是一氣液反應。只有在加大氣液反應表面積時才能加快反應速度·提高生產效率，目前國內多數工廠采用反應釜，以攪拌的方式進行生產，這種方法氣液反應接觸面積小，反應速度慢，限制了生產效率的提高，我們以前報道的反應塔法生產聚合硫酸鐵的新工藝完全克服了這一缺陷，并可以進行大規(guī)模生產，使生產成本大幅度降低，在實際生產中取得了良好的經濟效益。生產的聚合硫酸鐵質量完全達到了國家有關標準，并且為了便于運輸和生產固體產品還可以生產三價鐵離子濃度為200g/L的產品。噴霧法生產聚合硫酸鐵其反應原理與反應塔法類似，工藝的區(qū)別在于反應液在反應器中以霧化態(tài)與混合氣體反應。這同樣也可以提高反應接觸面積，加快氣體的吸收，達到縮短反應時間的目的。為了進一步加快反應的進行，可以使氣體和液體同時進行逆向循環(huán)，氣體由風機驅動，反應過程中不斷向反應器中補充氧氣，保證一氧化氮的迅速氧化和二氧化氮的吸收。生產工藝見圖1。

制備過程如下：在加熱器中加入晶體硫酸亞鐵、硫酸和水。加熱升溫至一定溫度后使液體和氣體同時處于循環(huán)狀態(tài)，在常壓下氣相中的二氧化氮與霧化狀的液體反應．如此不斷循環(huán)，直至亞鐵離子完全氧化，即可結束反應。反應指標：Fe3+：11%～14%，鹽基度：8%～16%；Fe2+≤0.1%；水不溶物：≤0.1%；密度(20℃)：1.47～1.6g/cm3。

2結論

噴霧法制備聚合硫酸鐵的方法具有反應速度快、效率高、生產周期短、生產工藝簡單、操作安全方便的特點，產品質量穩(wěn)定，完全達到并超過了國家標準。這一新方法的應用為聚合硫酸鐵的生產開辟了新途徑。