2025年无机凝聚剂合成工艺研究与实践报告

试验指导老师廖高祖老师试验评分无机混凝剂的制备①理解混凝剂在水中处理中重要作用，混凝剂的种类与制备措施。②掌握合成无机混凝剂的操作技术。③学会通过金属含量、碱化度、Zeta电位的测定，评价混凝剂的水处理产品稳定性和混凝性能。混凝法是废水处理中非常重要、应用广泛的措施，即在废水中预先投加化学药剂来破坏胶体的稳定性，使废水中的胶体和细小悬浮物汇集成具有可分离性的絮凝体，再加以分离除去的过程，其混凝机理包括压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀网捕等。混凝剂按构成、性质分类可大体分为无机混凝剂、有机混凝剂、微生物混凝剂3类。这里着重简介无机混凝剂。无机混凝剂重要有铁盐系和铝盐系两大类，按阴离子成分又可分为盐酸系和硫酸系，按相对分子质量大小又可分为低分子体系和高分子体系两类，重要混凝剂有FeCl₃、AlCl₃、Fe₂(SO4)3、Al₂SO4)₃及其多聚物等。无机混凝剂应用较早，广泛用于水的净化处理和污水的脱泥处理等。目前，最具市场潜力和应用前景的混凝剂是聚合硫酸铁(PFS),这是一种无机高分子混凝剂，其分子式可表达为[Fe₂(OH)₁(SO4)3-m2]m,其相对分子质量可高达1。根据红外光谱和透射电镜分析，聚铁溶液中包括多种子具有很强的架桥、卷扫、絮凝和电中和等作用，受到pH值和带点颗粒的影响很轻易脱稳形成更大颗粒的絮状沉淀，沉降速率更快，比老式的简朴无机盐即铁盐和铝盐混凝性能要好得多，清除COD、S、浊目前，市场上有两种类型的聚铁产品，即液体聚铁(或聚铁溶液)和固体聚铁。液体聚铁的生产措施根据化硫酸亚铁的硫酸水溶液(硫酸与硫酸亚铁的摩尔比在0.20-0.45范围内)而制得产品。催化氧化法是在迅速搅拌下，以亚硝酸钠作为催化剂，用氧气或空气氧化硫酸亚铁的硫酸水溶液(硫酸雨硫酸亚铁的摩尔比在0.2-0.45范围内)而制得产品。工业上一般采用催化氧化法，尤其可采用工业副产品废硫酸亚铁和废酸(酸洗废酸、TiO₂生产废酸)等为K₃PO₄等盐类。固体聚铁可克服以上缺陷，但制备时耗能大。聚铁最先是由日本于20世纪70年代开发成功的液体产品，并于80年代初实现工业化生产。我国于80年了NOx的泄漏；②采用废铁屑、废硫铁矿渣、废铁矿石3.总结(1)制备原理本试验采用工业副产品废硫酸亚铁和废酸(酸洗废酸、TiO₂生产废酸)等为原料制备混凝剂聚合硫酸铁溶采用直接氧化法，即用强氧化剂，如H₂O₂、Cl₂、KCIO3、MnO₂等，直接氧化硫酸亚铁的硫酸水溶液(硫酸与硫酸亚铁的摩尔比在0.20-0.45范围内)而制得产品。反应过程中，首先，铁盐(三价)在水溶液中会发形成高分子的碱式铁盐，即聚合硫酸铁(简称聚铁)。为了防止形成碱式铁盐沉淀，总硫酸根于总铁盐的摩尔①氧化过程二价铁在氧化剂作用下被氧化为三价铁，这是比较复杂的一步，目前采用的氧化剂种类诸多，究者也存在不一样的见解。以氧化剂H₂O₂为例2FeSO₄+H₂O₂+H₂SO₄==Fe₂(S②水解过程水解是Fe³+和OH互相结合的过程，这是极其重要的一步，其重要概念是盐基度，盐基度(4-2)、(4-3)两式对盐基度B有奉献，但式(4-4)须加以克制，由于Fe(OH)₃溶度积非常小，[Fe³+]×[OH]³==4×10-38(20℃),在溶液中很轻易沉淀，在水解过程中应当限制该反应的发生。③聚合过程聚合过程的化学方程式如下：(2)碱化度碱化度又称盐基度，表达羟基在物质分子中所占的比例，它是关系到产品稳定性和混凝性能的重要技术指标。碱化度测定一般采用酸碱中和滴定，这样关键问题便是怎样掩蔽FeVo,V——空白试验和水样试验原则NaOH2.仪器与药物(1)重要仪器可调速搅拌器、三口烧瓶250mL、电炉、带柄铁锅、铁架台(2)重要试剂硫酸亚铁(CP)、浓硫酸(C.P.)、30%H₂O₂(C.P.)、KCIO₃(C.P.)、盐酸原则溶液(0.1017mol/L)、NaOH原则溶液(0.09778mol/L)、酚酞指示剂(10g/L)、K₂Cr₂O原则溶液(0.025mol/L)、氟化钾溶液(500g/L)(1)聚合硫酸铁的制备②按照H₂SO₄/Fe=0.4的比例量取H₂SO₄,即3.9mL,现取3.9mL,加入烧瓶中。③控制水浴反应温度为50~60℃。④取理论反应量的H₂O₂,现取10.2mL,和理论量20%的NaClO₃,现取0.74g。⑤迅速搅拌混合溶液(800~1600r/min),同步，每隔5min加一次H₂O₂,在40min内加完。最终将KCIO₃间隔5min分三次加完。加完后，再搅拌15min。则，继续加入H₂O₂/KClO₃。⑦计量好所制得产品的体积，以便确定总铁含量。此外，注意保留(2)产物聚合硫酸铁中Fe²+检测移液管量取1mL聚铁溶液，放入250mL锥形瓶中，稀释至30mL,加入2mL硫磷混酸，冷却后加入5滴二苯胺磺酸钠溶液，用K₂Cr₂O₇原则溶液滴定至呈稳定的紫色。(3)碱化度检测①用移液管量取1mL聚铁溶液，置于250mL锥形瓶中。②用移液管精确移入25.00mL盐酸溶液，再加入20mL无CO₂蒸馏水，摇匀，盖上表③加入15mL氟化钾溶液，摇匀。再加入5滴酚酞，即用NaOH原则溶液滴定至淡红色为终点。(1)试验现象在试验中，称取50gFeSO4-7H₂O置于烧瓶中，加入25mL水后，部分固体溶解，溶液呈绿色。加入3.9mL硫酸，控制水浴温度于55℃左右，迅速搅拌，固体完全溶解。逐次加入30%H₂O2₂,溶液中冒出气泡，溶液颜色逐渐加深，显红棕色。伴随H₂O₂不停加入及反应的进行，溶液颜色逐渐变滴定期溶液由白色逐渐变成粉红色，抵达滴定终点，共用去NaOH原则溶液V=22.15mL;同样条件下，滴定空白试验样时，所用NaOH溶液体积为Vo=27.22mL。(2)试验成果①试验数据记录表1试验数据登记表①制备的聚合硫酸铁的体积(V/mL)②产物聚合硫酸铁中Fe²+含量检测消耗K₂Cr₂O₇的量(△V/mL)消耗NaOH的量(V/mL)化度检测空白对照组消耗NaOH的量(Vo/mL)滴定期共用去0.025mol/L的K₂Cr₂O₇6Fe²++Cr₂O₇²-+14H+=6Fe可计算出n(Fe²+)=6×0.0025mol/L×5.63×10³L=0.844×1Ⅲ.产率(转化率)IV.产物碱化度的计算：抵达滴定终点，共用去NaOH(C=0.0976mol/L)原则溶液V=9.39mL;同样条件下，滴定空白试验样时，所用NaOH溶液体积为Vo=26.74mL。表2聚合硫酸铁产量与质量指标对照表合成产品外观红棕色粘稠液体，无不溶物红褐色液体，放置久有少许棕黄色不溶物产率(转化率)在制备过程中，氧化、水解、聚合3个反应同步存在于一种体系当中，互相影响，互相增进。其中氧化反应是3个反应中较慢的一步，控制着整个反应过程。如下根据文献讨论反应的影响原因：许会出现什么成果?亚铁的摩尔比不不小于0.20-0.45范围时，Fe³+在溶液中很轻易直接水解成Fe(OH难以形成聚合物；而当硫酸与硫酸亚铁的摩尔比不小于0.20-0.45范围时，盐基度较低，产品难以聚合形成，(2)过氧化氢用量的影响H₂O₂的用量对产品质量指标有很大的影响，当H₂O₂加入(3)过氧化氢加入速度(4)反应温度的影响用滴加的方式加入H₂O₂,由于反应放出大量热，温度对Fe²+的转化率影响不明显。但在温度较低时，七水合硫酸亚铁很难溶解，延长了反应时间，同步Fe2+的转化率稍有减少；在温度较高时，会引起H₂O₂部分分解，使溶液中具有较多的Fe²+。因此把温度控制在50℃—60℃即可。(5)搅拌速度的影响此反应在搅拌作用下，使氧化反应均匀迅速进行。搅拌速度小，H₂O₂没H₂O₂分解，从而导致Fe2+不可以完全氧化；若搅拌速度大，溶液飞溅，不仅增长能耗且氧化不均匀。总的来说本次试验成果比较理想，试验制备得到的聚合硫酸铁为红褐通过计算，其总铁含量为162.5g/L,不小于原则的80g/L,阐明具有较高的总铁浓度。但制得的产品二价铁含量47.26g/L明显高于原则值，产率(转化率)为70.9%,阐明Fe²#被氧化程度相对较低；同步产品的碱化度为17.8%,在原则范围内，阐明混凝剂的聚合度较高。分析试验过程中导致出现该成果的多种也许性：(1)导致产率(转化率)的原因：①将FeSO₄·7H₂O加入烧瓶中溶解时不能完全溶解，需通过搅拌、加热溶解所有固体溶解，所需的时间长。因此会在一定程度上减缓Fe²+被氧化的速率，从而减少了发生聚合的Fe³+的浓度，则最终所得的混凝剂的转化②在试验过程中控制水浴温度为50℃—60℃,加入H₂O₂时，一部分的H₂O₂因温度以及浓硫酸的强酸性、强氧化性作用之下迅速分解逃逸，这也导致实际参与反应的过氧化氢局限性，同步本次缩短了H₂O₂的滴加时间，使得反应时间缩短了，Fe²+被氧化为Fe³+难度也就对应增大；(2)久置有少许棕黄色不溶物的原因：①本次产品的碱化度为17.8%,比较高，由于Fe(OH)₃溶度积非常小，[Fe³+]×[OH}³==4×10-38(20℃),在溶液中很轻易沉淀。本试验采用直接氧化法，氧化硫酸亚铁，并使三价铁离子发生水解、聚合，形成新型的无机混凝剂聚合硫酸铁。制备得到的无机混凝剂聚合硫酸铁为红褐色液体，总铁含量为162.5g/L,二价铁含量47.26g/L,产率(转化率)为70.9%,碱化度为17.8%,均与原则值靠近或在原则值的