2025年無機凝聚劑合成工藝研究與實踐報告

試驗指導老師廖高祖老師試驗評分無機混凝劑的制備①理解混凝劑在水中處理中重要作用，混凝劑的種類與制備措施。②掌握合成無機混凝劑的操作技術。③學會通過金屬含量、堿化度、Zeta電位的測定，評價混凝劑的水處理產(chǎn)品穩(wěn)定性和混凝性能。混凝法是廢水處理中非常重要、應用廣泛的措施，即在廢水中預先投加化學藥劑來破壞膠體的穩(wěn)定性，使廢水中的膠體和細小懸浮物匯集成具有可分離性的絮凝體，再加以分離除去的過程，其混凝機理包括壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋、沉淀網(wǎng)捕等?；炷齽┌礃嫵伞⑿再|(zhì)分類可大體分為無機混凝劑、有機混凝劑、微生物混凝劑3類。這里著重簡介無機混凝劑。無機混凝劑重要有鐵鹽系和鋁鹽系兩大類，按陰離子成分又可分為鹽酸系和硫酸系，按相對分子質(zhì)量大小又可分為低分子體系和高分子體系兩類，重要混凝劑有FeCl?、AlCl?、Fe?(SO4)3、Al?SO4)?及其多聚物等。無機混凝劑應用較早，廣泛用于水的凈化處理和污水的脫泥處理等。目前，最具市場潛力和應用前景的混凝劑是聚合硫酸鐵(PFS),這是一種無機高分子混凝劑，其分子式可表達為[Fe?(OH)?(SO4)3-m2]m,其相對分子質(zhì)量可高達1。根據(jù)紅外光譜和透射電鏡分析，聚鐵溶液中包括多種子具有很強的架橋、卷掃、絮凝和電中和等作用，受到pH值和帶點顆粒的影響很輕易脫穩(wěn)形成更大顆粒的絮狀沉淀，沉降速率更快，比老式的簡樸無機鹽即鐵鹽和鋁鹽混凝性能要好得多，清除COD、S、濁目前，市場上有兩種類型的聚鐵產(chǎn)品，即液體聚鐵(或聚鐵溶液)和固體聚鐵。液體聚鐵的生產(chǎn)措施根據(jù)化硫酸亞鐵的硫酸水溶液(硫酸與硫酸亞鐵的摩爾比在0.20-0.45范圍內(nèi))而制得產(chǎn)品。催化氧化法是在迅速攪拌下，以亞硝酸鈉作為催化劑，用氧氣或空氣氧化硫酸亞鐵的硫酸水溶液(硫酸雨硫酸亞鐵的摩爾比在0.2-0.45范圍內(nèi))而制得產(chǎn)品。工業(yè)上一般采用催化氧化法，尤其可采用工業(yè)副產(chǎn)品廢硫酸亞鐵和廢酸(酸洗廢酸、TiO?生產(chǎn)廢酸)等為K?PO?等鹽類。固體聚鐵可克服以上缺陷，但制備時耗能大。聚鐵最先是由日本于20世紀70年代開發(fā)成功的液體產(chǎn)品，并于80年代初實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。我國于80年了NOx的泄漏；②采用廢鐵屑、廢硫鐵礦渣、廢鐵礦石3.總結(1)制備原理本試驗采用工業(yè)副產(chǎn)品廢硫酸亞鐵和廢酸(酸洗廢酸、TiO?生產(chǎn)廢酸)等為原料制備混凝劑聚合硫酸鐵溶采用直接氧化法，即用強氧化劑，如H?O?、Cl?、KCIO3、MnO?等，直接氧化硫酸亞鐵的硫酸水溶液(硫酸與硫酸亞鐵的摩爾比在0.20-0.45范圍內(nèi))而制得產(chǎn)品。反應過程中，首先，鐵鹽(三價)在水溶液中會發(fā)形成高分子的堿式鐵鹽，即聚合硫酸鐵(簡稱聚鐵)。為了防止形成堿式鐵鹽沉淀，總硫酸根于總鐵鹽的摩爾①氧化過程二價鐵在氧化劑作用下被氧化為三價鐵，這是比較復雜的一步，目前采用的氧化劑種類諸多，究者也存在不一樣的見解。以氧化劑H?O?為例2FeSO?+H?O?+H?SO?==Fe?(S②水解過程水解是Fe3+和OH互相結合的過程，這是極其重要的一步，其重要概念是鹽基度，鹽基度(4-2)、(4-3)兩式對鹽基度B有奉獻，但式(4-4)須加以克制，由于Fe(OH)?溶度積非常小，[Fe3+]×[OH]3==4×10-38(20℃),在溶液中很輕易沉淀，在水解過程中應當限制該反應的發(fā)生。③聚合過程聚合過程的化學方程式如下：(2)堿化度堿化度又稱鹽基度，表達羥基在物質(zhì)分子中所占的比例，它是關系到產(chǎn)品穩(wěn)定性和混凝性能的重要技術指標。堿化度測定一般采用酸堿中和滴定，這樣關鍵問題便是怎樣掩蔽FeVo,V——空白試驗和水樣試驗原則NaOH2.儀器與藥物(1)重要儀器可調(diào)速攪拌器、三口燒瓶250mL、電爐、帶柄鐵鍋、鐵架臺(2)重要試劑硫酸亞鐵(CP)、濃硫酸(C.P.)、30%H?O?(C.P.)、KCIO?(C.P.)、鹽酸原則溶液(0.1017mol/L)、NaOH原則溶液(0.09778mol/L)、酚酞指示劑(10g/L)、K?Cr?O原則溶液(0.025mol/L)、氟化鉀溶液(500g/L)(1)聚合硫酸鐵的制備②按照H?SO?/Fe=0.4的比例量取H?SO?,即3.9mL,現(xiàn)取3.9mL,加入燒瓶中。③控制水浴反應溫度為50~60℃。④取理論反應量的H?O?,現(xiàn)取10.2mL,和理論量20%的NaClO?,現(xiàn)取0.74g。⑤迅速攪拌混合溶液(800~1600r/min),同步，每隔5min加一次H?O?,在40min內(nèi)加完。最終將KCIO?間隔5min分三次加完。加完后，再攪拌15min。則，繼續(xù)加入H?O?/KClO?。⑦計量好所制得產(chǎn)品的體積，以便確定總鐵含量。此外，注意保留(2)產(chǎn)物聚合硫酸鐵中Fe2+檢測移液管量取1mL聚鐵溶液，放入250mL錐形瓶中，稀釋至30mL,加入2mL硫磷混酸，冷卻后加入5滴二苯胺磺酸鈉溶液，用K?Cr?O?原則溶液滴定至呈穩(wěn)定的紫色。(3)堿化度檢測①用移液管量取1mL聚鐵溶液，置于250mL錐形瓶中。②用移液管精確移入25.00mL鹽酸溶液，再加入20mL無CO?蒸餾水，搖勻，蓋上表③加入15mL氟化鉀溶液，搖勻。再加入5滴酚酞，即用NaOH原則溶液滴定至淡紅色為終點。(1)試驗現(xiàn)象在試驗中，稱取50gFeSO4-7H?O置于燒瓶中，加入25mL水后，部分固體溶解，溶液呈綠色。加入3.9mL硫酸，控制水浴溫度于55℃左右，迅速攪拌，固體完全溶解。逐次加入30%H?O2?,溶液中冒出氣泡，溶液顏色逐漸加深，顯紅棕色。伴隨H?O?不停加入及反應的進行，溶液顏色逐漸變滴定期溶液由白色逐漸變成粉紅色，抵達滴定終點，共用去NaOH原則溶液V=22.15mL;同樣條件下，滴定空白試驗樣時，所用NaOH溶液體積為Vo=27.22mL。(2)試驗成果①試驗數(shù)據(jù)記錄表1試驗數(shù)據(jù)登記表①制備的聚合硫酸鐵的體積(V/mL)②產(chǎn)物聚合硫酸鐵中Fe2+含量檢測消耗K?Cr?O?的量(△V/mL)消耗NaOH的量(V/mL)化度檢測空白對照組消耗NaOH的量(Vo/mL)滴定期共用去0.025mol/L的K?Cr?O?6Fe2++Cr?O?2-+14H+=6Fe可計算出n(Fe2+)=6×0.0025mol/L×5.63×103L=0.844×1Ⅲ.產(chǎn)率(轉(zhuǎn)化率)IV.產(chǎn)物堿化度的計算：抵達滴定終點，共用去NaOH(C=0.0976mol/L)原則溶液V=9.39mL;同樣條件下，滴定空白試驗樣時，所用NaOH溶液體積為Vo=26.74mL。表2聚合硫酸鐵產(chǎn)量與質(zhì)量指標對照表合成產(chǎn)品外觀紅棕色粘稠液體，無不溶物紅褐色液體，放置久有少許棕黃色不溶物產(chǎn)率(轉(zhuǎn)化率)在制備過程中，氧化、水解、聚合3個反應同步存在于一種體系當中，互相影響，互相增進。其中氧化反應是3個反應中較慢的一步，控制著整個反應過程。如下根據(jù)文獻討論反應的影響原因：許會出現(xiàn)什么成果?亞鐵的摩爾比不不小于0.20-0.45范圍時，F(xiàn)e3+在溶液中很輕易直接水解成Fe(OH難以形成聚合物；而當硫酸與硫酸亞鐵的摩爾比不小于0.20-0.45范圍時，鹽基度較低，產(chǎn)品難以聚合形成，(2)過氧化氫用量的影響H?O?的用量對產(chǎn)品質(zhì)量指標有很大的影響，當H?O?加入(3)過氧化氫加入速度(4)反應溫度的影響用滴加的方式加入H?O?,由于反應放出大量熱，溫度對Fe2+的轉(zhuǎn)化率影響不明顯。但在溫度較低時，七水合硫酸亞鐵很難溶解，延長了反應時間，同步Fe2+的轉(zhuǎn)化率稍有減少；在溫度較高時，會引起H?O?部分分解，使溶液中具有較多的Fe2+。因此把溫度控制在50℃—60℃即可。(5)攪拌速度的影響此反應在攪拌作用下，使氧化反應均勻迅速進行。攪拌速度小，H?O?沒H?O?分解，從而導致Fe2+不可以完全氧化；若攪拌速度大，溶液飛濺，不僅增長能耗且氧化不均勻?？偟膩碚f本次試驗成果比較理想，試驗制備得到的聚合硫酸鐵為紅褐通過計算，其總鐵含量為162.5g/L,不小于原則的80g/L,闡明具有較高的總鐵濃度。但制得的產(chǎn)品二價鐵含量47.26g/L明顯高于原則值，產(chǎn)率(轉(zhuǎn)化率)為70.9%,闡明Fe2#被氧化程度相對較低；同步產(chǎn)品的堿化度為17.8%,在原則范圍內(nèi)，闡明混凝劑的聚合度較高。分析試驗過程中導致出現(xiàn)該成果的多種也許性：(1)導致產(chǎn)率(轉(zhuǎn)化率)的原因：①將FeSO?·7H?O加入燒瓶中溶解時不能完全溶解，需通過攪拌、加熱溶解所有固體溶解，所需的時間長。因此會在一定程度上減緩Fe2+被氧化的速率，從而減少了發(fā)生聚合的Fe3+的濃度，則最終所得的混凝劑的轉(zhuǎn)化②在試驗過程中控制水浴溫度為50℃—60℃,加入H?O?時，一部分的H?O?因溫度以及濃硫酸的強酸性、強氧化性作用之下迅速分解逃逸，這也導致實際參與反應的過氧化氫局限性，同步本次縮短了H?O?的滴加時間，使得反應時間縮短了，F(xiàn)e2+被氧化為Fe3+難度也就對應增大；(2)久置有少許棕黃色不溶物的原因：①本次產(chǎn)品的堿化度為17.8%,比較高，由于Fe(OH)?溶度積非常小，[Fe3+]×[OH}3==4×10-38(20℃),在溶液中很輕易沉淀。本試驗采用直接氧化法，氧化硫酸亞鐵，并使三價鐵離子發(fā)生水解、聚合，形成新型的無機混凝劑聚合硫酸鐵。制備得到的無機混凝劑聚合硫酸鐵為紅褐色液體，總鐵含量為162.5g/L,二價鐵含量47.26g/L,產(chǎn)率(轉(zhuǎn)化率)為70.9%,堿化度為17.8%,均與原則值靠近或在原則值的