无机混凝剂的制备实验报告

实验4 无机混凝剂的制备

1． 前言

1.1 目的与意义

聚合硫酸铁(PFS)是 2O世纪 80年代发展起来的一种新型无机高分子絮凝剂。相比传统的铝系絮凝剂，具有水解速度快、絮凝体密度大、适用pH值范围宽(4～i0)等特点，且成本低、使用方便、无残留，因而广泛用于工业用水、工业废水及城市污水的净化处理

【1】

。

通过制备聚硫酸铁的综合实验，了解混凝剂在水处理中的原理及重要作用，掌握合成无机混凝剂的操作技术，并且学会通过金属含量、碱化度、Zata电位的测定，评价混凝剂的水处理产品稳定性和混凝性能。 1.2 文献综述与总结

絮凝净化法具有适应范围广、工艺简单、处理成本低等特点，目前广泛应用于饮用水、生活污水和工业废水的处理中。

聚合硫酸铁PFS是20世纪80年代出现的一种新型无机高分子絮凝剂具有水解速度快、絮凝体密度大、适用pH范围宽等特点 具有很强的中和悬浮颗粒上电荷的能力，有很大的比表面积和很强的吸附能力，能很好地去除水中悬浮物、有机物、硫化物、重金属离子等杂质。 具有脱色、除臭、破乳化及污泥脱水等功能，因而被广泛应用于矿山 印染、造纸等工业废水处理。相比传统的铝系絮凝剂而言PFS在反应过程中无离子水相转移和残留积累使用更方便、价格更便宜、用量更省【2】。

直接氧化法虽然工艺简单、操作简便，但存在氧化剂用量大、成本高、氧化剂引入的离子需分离除去、反应中产生的有害气体需专门设备吸收处理等问题。因而难于在工业化生产中普及和应用，但试验研究中需要少量聚合硫酸铁时，采用此类方法制备简便易行【1】。

2． 实验部分

2.1 实验原理

硫酸铁聚合过程及其复杂，一般认为聚合过程分为三个大步骤。

①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，即使是同样的氧化剂，对过程的机理，不同的研究者也存在不同的看法。以氧化剂H2O2为例，其反应过程如下所示：

4FeSO4+H2O2+2H2SO4==2Fe2(SO4)3+3H2O（4-1）

②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，其重要概念是盐基度，盐基度B=[OH-]/(3[Fe3+])，OH-结合越多，则聚合度就越高，絮凝效果也就越好，产品质量越高，水解反应过程如下所示：

Fe3++OH-==Fe(OH)2+ （4-2） Fe(OH)2++OH-==Fe(OH)2+ （4-3） Fe(OH)2++OH-==Fe(OH)3 （4-4）

（4-2）、（4-3）两式对盐基度B是有贡献的，但式（4-4）须加以抑制，由于氢氧化铁溶度积非常小，[Fe3+]×[OH-]3==4×10-38(20℃)，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。

③聚合过程 聚合过程的化学方程式如下： mFe2(OH)n(SO4)3-n/2→[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m

式中，m表示聚合度的大小，聚合度m在反应过程中是逐渐增加的，该值是个表观值。

综合起来，可以认为整个制备过程的化学反应方程式如下： 4FeSO4 +(2-n)H2SO4+(2n-2)H2O+O2(或氧化剂)→2Fe2(OH)n(SO4)3-n/2 mFe2(OH)n(SO4)3-n/2→[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m （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Fe3+。氟化物可与Fe3+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=[(V0-V)C×0.017/(1×10-3CFe)]×100%=[17C(V0-V)/CFe]×100% 式中 C——标准氢氧化钠溶液浓度，mol/L

V0，V——空白试验和水样试验标准氢氧化钠溶液的体积，ml

CFe——聚铁溶液含铁量

2.2 仪器与试剂 2.2.1主要仪器

可调速搅拌器、三口烧瓶250ml、可调速搅拌器、三口烧瓶、锥形瓶、烧杯、恒温槽、酸式滴定管、碱式滴定管、胶头滴管、量筒、移液管 2.2.2主要试剂

七水硫酸亚铁FeSO4?7H2O、硫酸、过氧化氢H2O2（30%）、氯酸钠NaClO3、 酚酞指示剂，重铬酸钾标准溶液0.025mol/L、盐酸溶液：0.1011mol/L、NaOH溶液0.0978mol/L，硫磷混酸15%、二苯胺磺酸钠2g/L、氟化钾 2.3 实验步骤 2.3.1 产品制备

称取50g 置于烧瓶中，加入25mL去离子水，按照硫酸与亚铁盐摩尔比例为0.4，实取硫酸3.4ml，然后加入烧瓶中。控制水浴反应温度为50—60°C，取理论反应量的过氧化氢9.2ml和理论量20%的氯酸钾0.74g，快速搅拌混合溶液（800rpm），同时，每隔5min加一次过氧化氢，在1—1.5h内加完。最后将氯酸钠分三次加完，再搅拌15min。

氧化反应完后，溶液完全变为红棕色。用滴管取少量溶液观察，其中应无明显的二价铁离子的颜色，否则，继续加入过氧化氢或氯酸钠。样品分析时，二价铁的转化率应达95%以上。 2.3.2 产物中Fe2＋的检测

取5mL聚铁溶液，放入250mL锥形瓶中，稀释至100mL，加入10mL硫磷混酸，冷却后加入5滴二苯胺磺酸钠溶液，用重络酸钾标准溶液滴定至呈稳定的紫色。

2.3.3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去离子水，摇匀，盖上表面皿，在室温下放置10分钟。加入10mL氟化钾溶液，摇匀。再加入5滴酚酞，立即用氢氧化钠溶液滴定至淡红色为终点。

用去离子水做空白实验，重复以上步骤。

2.2 实验现象与结果 实验步骤 往装有七水硫酸亚铁的在 加入加入25mL水, 再加 产品的制备 3.4mL 的H2 SO4 9.2mL 30% H2O2 溶液，用胶头滴管每隔5分钟加一次 实验现象 有较多未溶解固体，溶液呈浅绿色 Fe2＋的检测 碱化度检测 有少量的气泡产生，随着H2O2的加入，硫酸亚铁晶体全部溶解，溶液颜色逐渐加深，开始时有少量浑浊，加过氧化氢至后期变澄清。最后变为红棕色粘稠溶液。 把KClO3分三次加入反应体溶液性状为红色粘稠状，产物系中，冷却至室温, 用量筒体积为56ml。 测定其体积。 往聚合硫酸铁溶液中加入溶液变为淡黄色 10ml硫磷混酸 再加入5~8滴二苯胺磺酸钠溶液先变为了浅绿色，滴定终溶液，用重铬酸钾溶液滴定 点时溶液变为淡紫色。重铬酸钾溶液体积为3.00mL 样品试验 加入KF溶液后形成白色浊液；滴定终点是溶液变为浅红色。 NaOH体积为18.05mL 空白试验 滴定终点溶液由无色变为浅红色，且30S不变色。 NaOH体积为26.00mL

Fe2+转化率的计算

M(FeSO4·7H2O)= 278g/mol

Fe+的物质的量：n=m/M=50g÷（278g/mol）=0.1798mol 产品体积：56.0mL

总铁浓度：0.1798mol*56g/mol÷56.0mL=179.80g/L 亚铁浓度:

6Fe + Cr2O7+ 14H =6Fe + 2Cr+ 7H2O

2+

2-

+

3+

3+

n(Fe2+)=6n(Cr2O72-)=3.00mL* 0.025mol/L*6=0.45*10-3mol [Fe2+]=56g/mol*0.45*10-3mol ÷1mL=25.2g/L

产率：(179.80g/L－25.2g/L) ÷179.80g/L×100％=86.0％ 碱化度的检测

空白样品滴加氢氧化钠标准液体积：26.00mL 样品溶液滴加氢氧化钠溶液体积：18.05mL 17C （ V 0 － V ）

X = ×100% CFe

=17*0.1mol/L*(26.00mL-18.05mL) ÷179.80g/L ×100%=7.51 %

表1 聚合硫酸铁产量与质量指标 标准 样品 红棕色粘稠液体，无不容物 ─ ─ >80g/L <1g/L 8~18% 合成产品 红棕色粘稠液体，无不容物 56.0mL 86.0% 179.80g/L 25.2g/L 7.51% 性能指标 外观 产量 产率（转化率） 总铁 二价铁 碱化度（OH/Fe）

3． 结果与讨论

1.由表1知合成聚合硫酸铁产品的转化率高，其外观、总铁均符合标准要求 2.产品二价铁含量（25.2g/L）超出了标准（<1g/L），超标量非常大。由于反应开始时的搅拌速度控制不好，太慢，导致溶液中发生水解产生沉淀，溶液为浑浊状态。产品合成还受硫酸影响，亚铁盐在足量的硫酸中被氧化时会生成铁盐；当亚铁盐的硫酸溶液中硫酸量不足，氧化最终将会发生水解，比例过小，产生的氢氧根易生成氢氧化铁沉淀。

4. 由表1可知碱化度偏低，可知聚合硫酸铁的聚合度偏低，凝聚效果不够好。 用碱滴定测碱化度过程难以做到无CO2反应环境，滴定时间快慢也会影响误

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