一種以FeS04為原料，以硫酸為催化劑制取聚合硫酸鐵的新工藝

聚合硫酸鐵(聚鐵)是一種新型高效的無(wú)機(jī)高分子絮凝劑，既可以用于廢水的混凝沉淀處理，又可用于飲用水的凈化處理。與其它絮凝劑相比，聚合硫酸鐵具有用量少、雜質(zhì)(COD、色度、濁度等)去除率高，處理水中殘留鐵含量低、適應(yīng)的pH范圍廣、污泥脫水性能好、對(duì)設(shè)備腐蝕性小等特點(diǎn)。自從1976年日本鐵礦業(yè)株式會(huì)社首次研制成功并取得專利以來(lái)，文獻(xiàn)中陸續(xù)報(bào)道了許多聚合硫酸鐵的制備方法。按照氧化方式的不同，可分為如下兩大類：(1)直接氧化法，即采用強(qiáng)氧化劑（如H202、NaCl0、KCl03等）直接氧化FeS04成Fe2(S04)3，并經(jīng)水解、聚合得到聚合硫酸鐵；(2)催化氧化法，即在催化劑(如NaN02)的催化作用下，利用空氣或氧氣氧化FeS04。直接氧化法由于所采用的氧化劑用量大，價(jià)格昂貴，生產(chǎn)成本高，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。催化氧化法普遍存在的問(wèn)題是：(1)催化劑NaN02是一種有毒的致癌物質(zhì)，限制了聚合硫酸鐵在飲用水凈化處理中的應(yīng)用，致使對(duì)人類健康有危害的鋁系絮凝劑(如Al2(S04)3、BAC等）在飲用水的凈化處理中仍然占主導(dǎo)地位；(2)以NaN02為催化劑，氧氣或空氣為氧化劑的氧化反應(yīng)速率慢，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)17小時(shí)，不能適應(yīng)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，滿足日益增長(zhǎng)的工業(yè)廢水處理和飲用水凈化處理對(duì)聚合硫酸鐵的需求。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出了一個(gè)新的生產(chǎn)工藝：以FeS04為原料，采用一種比NaN02更為有效且無(wú)毒的催化劑，在一定溫度下通氧氣或空氣將FeS04氧化、水解、聚合得到聚合硫酸鐵。該工藝的特點(diǎn)是：

(1)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、操作方便、穩(wěn)定可靠；

(2)反應(yīng)速率快、生產(chǎn)周期短，可以大大降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益；

(3)催化劑來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，無(wú)毒無(wú)害。產(chǎn)品聚合硫酸鐵不僅可以應(yīng)用于廢水處理，而且可以應(yīng)用于飲用水的凈化處理，以取代對(duì)人體有危害的鋁系絮凝劑；

(4)產(chǎn)品質(zhì)量好，經(jīng)廣州市衛(wèi)生防疫站的分析檢驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)樣品的性能指標(biāo)。

1聚合硫酸鐵生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

1.1聚合硫酸鐵的制備原理

FeS04在催化劑的作用下，被氧氣或空氣氧化為Fe2(S04)3，而后經(jīng)水解、聚合反應(yīng)得到聚合硫酸鐵。

1.2聚合硫酸鐵的制備方法

在聚合反應(yīng)器中，按比例加入FeS04、H20、H2S04及催化劑，加熱并保持一定的溫度，使反應(yīng)進(jìn)行2小時(shí)，取樣分析Fe2+，當(dāng)分析不出Fe2+時(shí)，表示反應(yīng)已經(jīng)完全，所得產(chǎn)品為紅棕色的透明液體。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1典型的試制產(chǎn)品與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)樣品的比較

影響產(chǎn)品性能指標(biāo)的因素很多，主要包括硫酸根例子與總鐵的摩爾比，催化劑的種類及用量、反應(yīng)溫度等。通過(guò)試驗(yàn)，我們確定了較佳的工藝條件。

2.2硫酸根離子與總鐵的摩爾比對(duì)反應(yīng)速率及產(chǎn)品鹽基度的影響

為了形成堿式硫酸鐵，必須要使硫酸根離子和鐵離子的比在1到1.5之間，它們的比例值是通過(guò)H2S04來(lái)調(diào)整的，如果加H2S04過(guò)多，則產(chǎn)品鹽基度太低，達(dá)不到要求；如果加H2S04太少，則體系的酸度太低，降低了電對(duì)02/H20的電很電位，也就是減弱了02的氧化性。通過(guò)試驗(yàn)，我們確定了較佳比例為1.25—1.35。

2.3催化劑種類及用量對(duì)氧化反應(yīng)速率的影響

為了與所選的催化劑進(jìn)行比較，我們也以NaN02為催化劑進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，不同的催化劑有著明顯不同的催化效果。我們所選用的催化劑來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，且無(wú)毒無(wú)害，僅用2小時(shí)就將Fe2+全部氧化成Fe3+，而以NaN02為催化劑時(shí)連續(xù)反應(yīng)18小時(shí)，F(xiàn)e2+的轉(zhuǎn)化率只有90%。因此，我們所選用的催化劑是非常有效的。

一催化劑的用量對(duì)反應(yīng)速率的影響是很明顯的，當(dāng)催化劑用量小于2%時(shí)，反應(yīng)較慢，反應(yīng)時(shí)間超過(guò)5.5小時(shí)，而當(dāng)催化劑用量大于2.5%時(shí)，反應(yīng)時(shí)間均在2小時(shí)左右，繼續(xù)增加催化劑用量對(duì)反應(yīng)速率的影響不明顯。因此較佳催化劑用量為2.5%。

2.4溫度對(duì)氧化反應(yīng)速率的影響

眾所周知，提高溫度可以加快反應(yīng)速率，但是能耗也隨之增加。在實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于60℃時(shí)，氧化反應(yīng)速率很慢；隨著溫度的逐漸升高，反應(yīng)逐漸加快，當(dāng)溫度高于90℃時(shí)，由于Fe2+的水解及FeS04·7H20的脫水，產(chǎn)生了一些白色粉末狀的難溶物，影響了氧氣與Fe2+的接觸，反而減慢了反應(yīng)速率。因此，較佳溫度范圍為60—90℃。

綜上所述，較佳工藝條件為：硫酸根離子和鐵離子比為1.25～1.35；催化劑用量為2.5%；溫度為60～90℃，反應(yīng)時(shí)間為2小時(shí)。

5生產(chǎn)成本概算

生產(chǎn)1噸聚合硫酸鐵的成本概算（單位：元／噸）：原材料200，動(dòng)力消耗60，其它費(fèi)用60，綜合生產(chǎn)成本320元／噸計(jì)，按市售價(jià)530元／噸計(jì)，每噸利潤(rùn)210元。

4結(jié)論

1)本文提出了一個(gè)聚合硫酸鐵生產(chǎn)新工藝。較佳工藝條件為：(1)硫酸根離子和鐵離子=1.25～1.35；(2)催化劑用量2.5%；(3)反應(yīng)溫度為60～90℃；(4)反應(yīng)時(shí)間2小時(shí)。

2)本工藝反應(yīng)速率快，反應(yīng)時(shí)間從傳統(tǒng)工藝的17小時(shí)縮短至2小時(shí)，可以大大縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益；

3)本工藝所采用的原料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，產(chǎn)品質(zhì)量好，不含有毒物質(zhì)，不僅可以應(yīng)用于廢水處理，還可以代替鋁系絮凝劑應(yīng)用于飲用水的凈化處理，防止人體攝取鋁。因此采用本工藝生產(chǎn)聚合硫酸鐵，不僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，還可以帶來(lái)不可估量的社會(huì)效益。