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1、综合化学实验报告实验名称无机混凝剂的制备(实验4)_学生姓名专 业化学师范指导老师廖高祖预习凭证码学 号年级、班级日 期一、实验原理聚合硫酸铁(PFS)也称碱式硫酸铁或羟基硫酸铁，是一种无机高分子絮凝剂。与其他 絮凝剂如三氯化铁,硫酸铝,氯化硫酸铁，碱式氯化铝等相比，聚合硫酸铁生产成本低、投 加量少、适用PH范围广、杂质(浊度、COD、悬浮物等)去除率高、残留物浓度低、 沉降速度快、脱色效果好，因而广泛应用于工业废水，城市污水，工业用水以及生活饮用水 的净化处理。聚合硫酸铁(PFS)的生产方法多种多样，根据使用的氧化剂，可将制备方法大致分为空 气氧化法、硝酸氧化法、氯酸盐和双氧水氧化法。但无论
2、是哪种氧化剂，都是经过氧化、 水解、聚合制得聚合硫酸铁(PFS)。本次实验使用双氧水、氯酸钠为氧化剂，直接氧化七 水合硫酸亚铁合成聚合硫酸铁。利用本法生产聚合硫酸铁，设备简单、生产周期短、无污 染、反应不用催化剂、产品不含杂质、稳定性高，对工业化生产具有一定的指导作用。以下综述了聚合硫酸铁的制备方法及其优缺点，同时对聚合硫酸铁的改性进展进行 了阐述，对聚合硫酸铁进行改性以进一步提高其絮凝性能仍将是目前急待攻克的课题。1. 液体聚合硫酸铁的制备 聚合硫酸铁的制备一般要经过氧化、水解、聚合三个基本过程。制备聚合硫酸铁的 原料很多，目前，普遍采用绿矾和亚铁盐溶液，主要来自钛白粉生产的副产品绿矾和废
3、酸，此外还可以用铁矿石为原料来制备，包括赤铁矿、磁铁矿、硫铁矿烧渣等。由于 PFS 可利用含铁废渣或废液与含酸废液合成，以废治废，具有环境效益、社会效益和经济效 益。根据氧化方式的不同，PFS的制备方法可以分为直接氧化法和催化氧化法。(1)直接氧化法直接氧化法使用的氧化剂主要有 H2O2、Cl2、NaClO3、KClO3 等无机氧化剂，直接 氧化法反应速度快，反应进行彻底，产品质量好，但由于使用了昂贵的氧化剂，因此， 产品成本较高。(2)催化氧化法以空气或氧气为氧化剂，在催化剂的作用下，在酸性的环境中Fe(II )被氧化成Fe(III)。O2是一种强氧化剂，其在酸性环境中氧化还原标准电极电位为
4、1.229V大于E =+0.771V，从热力学上看可以将Fe2+氧化为Fe3+，但氧化速度非常缓慢。在实际生产中难以单独实现Fe2+的完全氧化，为了加快这个反应速度，必须要加入催化剂。常用的催 化剂主要是氮氧化物，如 NaNO2、HNO3。2. 固体聚合硫酸铁(SPSF)的制备固体聚铁贮存方便，便于运输，因此，对SPSF的需求越来越大。SPSF的制备有两 种方法：(1)先制得液体产品，然后采用减压蒸发技术获得固体产品；(2)采用固态氧 化法，该法是先将硫酸亚铁晶体在60100C下脱去部分水分，然后将脱去大部分结晶水 的Fe2 (SO4)3在120250C之间的温度下，通入空气或O2令其氧化成碱
5、式硫酸铁，在 氧化过程中控制SO42-和Fe3+的摩尔比在1.051.45之间，以制得合格的SPSF。二、实验部分1 .实验目的 了解混凝剂在水处理中重要作用，混凝剂的种类与制备方法。 掌握合成无机混凝剂的操作技术。 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。2. 实验原理(1)制备原理本实验是采用工业副产品废硫酸亚铁和废酸等为原料制备混凝剂聚合硫酸铁溶液。 采用直接氧化法，即用强氧化剂过氧化氢、氯酸钠等，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）而制得产品。反应过程中，一方面，铁盐在水 溶液中会发生水解生成碱式
6、铁盐；另一方面，亚铁盐在足量的硫酸溶液中被氧化时，会 生成铁盐。这样，当亚铁盐的硫酸溶液中硫酸的量不足时，氧化的最终将会发生水解， 在硫酸亚铁和硫酸的比例合适的情况下，同时还发生聚合，形成高分子的碱式铁盐，即 聚合硫酸铁。为了防止形成碱式铁盐沉淀，总硫酸根与总铁的摩尔的比以 1.251.45 为佳。硫酸铁聚合过程极其复杂，一般认为聚合过程分为三个大步骤。 氧化过程 即二价铁在氧化剂作用下被氧化为三价铁，这是聚合过程中比较复杂的一 步，目前采取的氧化剂种类很多，显然采取不同的氧化剂对氧化过程的影响是不一样 的。 水解过程 水解是三价铁离子和氢氧根离子相互结合的过程，这是极其重要的一步， 氢氧根结
7、合越多，则聚合度就越高，絮凝效果也就越好，产品质量越高。由于氢氧化 铁溶度积非常小，在溶液中很容易沉淀，在水解过程中应当限制该反应的发生。 聚合过程（2）碱化度碱化度又称为盐基度，它表示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，这样核心问题便是 如何掩蔽三价铁离子。氟化物可与铁离子生成稳定性很好的六氟合铁络合物沉淀，氟化 钾是最合适的掩蔽剂。碱化度的计算：X=（V0V）C*0.017 / 1*10-3CFe *100%=17C（V0V） /CFe *100%式中： C标准氢氧化钠溶液浓度，mol/LV0、V空白试验和水样试验标准
8、氢氧化钠溶液的体积，mLCFe聚铁溶液含铁量。g/L3. 仪器与试剂（1） 主要仪器可调速搅拌器、水浴锅、三口烧瓶250mL、酸式滴定管、碱式滴定管等。（2）主要试剂硫酸亚铁（C.P.,也可用实验室中已部分氧化的废品）、98%硫酸（C.P.）、30%H2O2（C.P.）、KCIO3 （C.P.）盐酸标准溶液（0.1028mol/L）氢氧化钠标准溶液（0.0976mol/L）酚酞指示剂（10g/L）、K2Cr2O7标准溶液（0.025 mol/L）、氟化钾溶液（500g/L）4. 实验步骤（1）聚合硫酸铁的制备 称取50g FeSO47 H2O置于烧瓶中，加入25mL水。 按照H2SO4/Fe=
9、0.4的比例量取H2SO4，实取98%浓硫酸3.9mL，然后加入烧瓶中。 控制水浴反应温度为5060。C。 取 9.2mL30%的 H2O2和 0.735g 的 KClO3 固体。 快速搅拌混合溶液（8001600rpm），同时，每隔5min加一次H2O2，在40min内加 完。最后将KClO3分三次加完。加完后，再搅拌10min。 氧化反应完后，溶液变为红棕色。用滴管取少量溶液观察，无明显的二价铁离子的 颜色。 将所制得产品倒入量筒中，量得产品体积为67.0mL。（2）产物聚合硫酸铁中Fe2+检测取 1mL 聚铁溶液，放入 250mL 锥形瓶中，加入 30mL 去离子水，加人 2mL 硫磷混
10、 酸，冷却后加人8滴二苯胺磺酸钠溶液，用K2Cr2O7标准溶液滴定至呈稳定的紫色。（ 3）碱化度检测 用移液管量取1mL聚铁溶液，置于250mL锥形瓶中。 用移液管准确移入25.00mL盐酸溶液，再加入20mL无CO2蒸馏水，摇匀，盖上表 面皿，在室温下放置 10分钟。 加人15mL氟化钾溶液，摇匀。再加入5滴酚酞，立即用氢氧化钠标准溶液滴定至 淡红色为终点。 用无CO2蒸馏水做空白试验，重复以上步骤。5. 实验现象与结果（1）产物聚合硫酸铁中Fe2+检测含量的计算a. 实验制得聚铁产品67.0mL，总铁含量为：56g/mol X0.1799mol/0.067L = 150.36g/Lb. 滴
11、定时共用去0.025 mol/L的K2Cr2O7标准溶液5.5mL，即n(Fe2+)=0.025mol/L X 0.0055L X 6=0.000825mol则产物聚合硫酸铁中 Fe2+含量为：0.000825molX56g/molFlml=0.0462g/ml=46.2g/Lc.转化率为(150.36-46.2)g/LF150.36g/LX100%=69.27%(2)碱化度检测V0=25.20mlV=17.50mlX =(V0V)C*0.017/1*10-3CFe*100%=17C(V0V) /CFe *100%=12.3%三、结果与讨论七水合硫酸亚铁在酸性条件下，被双氧水氧化成硫酸铁，经水
12、解、聚合反应制得红棕 色聚合硫酸铁(PFS)。在制备过程中，氧化、水解、聚合3个反应同时存在于一个体系当 中，相互影响，相互促进。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。 以下根据文献讨论反应的影响因素：1.硫酸用量的影响硫酸在聚合硫酸铁的合成过程中有两个作用：作为反应的原料参与了聚合反应； 决定体系的酸度，其用量直接影响产品性能。文献显示，硫酸用量适当增加对提高合 成反应是有利的。但硫酸用量太大,会导致亚铁离子氧化不完全,且大部分铁离子没有参与 聚合，导致盐基度很低，合成失败；硫酸量不足，量越少，生成 Fe(OH)3 趋势越大， 即溶液中0H-相对较大。当硫酸与Fe2+
13、的物质的量之比为0 .150.30时减少硫酸用量可 显著提高产品盐基度，但当该比值小于0.15时，会产生大量的Fe (OH) 3凝胶沉淀，最 终导致产品铁含量大幅度降低，同时因溶液中存在相对较大OH-,使测得的产品盐基度 偏高，但这并非铁离子高度聚合的反映。文献表明:只有当硫酸与Fe2+的物质的量之比介 于0.300.45之间时，聚合硫酸铁产品性能最好。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加入不足时，Fe2+不能够完全氧化Fe3+，此时溶液中仍然含有较多的Fe2+ ；加入量过多时，固然可以保证氧化完全,但引起 氧化剂不必要的浪费。3. 过氧化氢加入速度为
14、了保证氧化反应的进行，必须控制氧化剂加入的速度，在搅拌作用下使物料之间 充分接触反应。但若加入速度过慢，反应所需时间过长，对工业生产是不利的。若加入 速度过快，氧化剂有可能来不及与物料充分接触反应就被分解。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，同时Fe2+的转化率稍有 降低；在温度较高时，会引起H2O2部分分解，使溶液中含有较多的Fe2+。所以把温度控 制在50C60C即可。5. 搅拌速度的影响此反应在搅拌作用下，使氧化反应均匀快速进行。搅拌速度小， H2O2 没有及时分 散
15、，会造成局部氧化及H2O2分解，从而导致Fe2+不能够完全氧化；若搅拌速度大，溶液 飞溅，不仅增加能耗且氧化不均匀。四、结论聚铁产品标准对照表：标准合成产品总铁80g/L150.36 g/L二价铁V1g/L46.2 g/L碱化度818%12.3%对照上表可以发现合成产品的总铁浓度是较高的，达到了 150.36g/L,同时制得的产品 碱化度达标。但是二价铁的含量46.2g/L，严重超标，说明氧化过程进行的比较差，可能 原因是:H2O2加入的不足，导致Fe2+不能够完全氧化Fe3+些02加入速度过快，氧化剂 有可能来不及与物料充分接触反应就被分解。 硫酸用量太大,导致亚铁离子氧化不完全, 使此时溶液中仍然含有较多的 Fe2+。根据以上分析可知，采用双氧水作为氧化剂能合成较为理想的聚合硫酸铁产品。具 备投资小，生产周期短，工艺流程简单及生产效率高的特点。硫酸用量是决定产品质量 的关键，当硫酸与Fe2+的物质的量之比介于0.300.45之间时，产品性能良好。H2O2的 用量对产品质量也有很大的影响，用滴加的方式加入h2o2，保持一定滴加速度，可节约 用量。反应时间越长，产品性能越好，但时间过长
