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一种以FeS04为原料,以硫酸为催化剂制取聚合硫酸铁的新工艺

发布时间:2016年7月2日     点击数:2510

聚合硫酸铁(聚铁)是一种新型高效的无机高分子絮凝剂,既可以用于废水的混凝沉淀处理,又可用于饮用水的净化处理。与其它絮凝剂相比,聚合硫酸铁具有用量少、杂质(COD、色度、浊度等)去除率高,处理水中残留铁含量低、适应的pH范围广、污泥脱水性能好、对设备腐蚀性小等特点。自从1976年日本铁矿业株式会社首次研制成功并取得专利以来,文献中陆续报道了许多聚合硫酸铁的制备方法。按照氧化方式的不同,可分为如下两大类:(1)直接氧化法,即采用强氧化剂(如H202、NaCl0、KCl03等)直接氧化FeS04成Fe2(S04)3,并经水解、聚合得到聚合硫酸铁;(2)催化氧化法,即在催化剂(如NaN02)的催化作用下,利用空气或氧气氧化FeS04。直接氧化法由于所采用的氧化剂用量大,价格昂贵,生产成本高,很难实现工业化生产。催化氧化法普遍存在的问题是:(1)催化剂NaN02是一种有毒的致癌物质,限制了聚合硫酸铁在饮用水净化处理中的应用,致使对人类健康有危害的铝系絮凝剂(如Al2(S04)3、BAC等)在饮用水的净化处理中仍然占主导地位;(2)以NaN02为催化剂,氧气或空气为氧化剂的氧化反应速率慢,反应时间长达17小时,不能适应大规模的工业生产,满足日益增长的工业废水处理和饮用水净化处理对聚合硫酸铁的需求。

针对上述问题,我们通过实验提出了一个新的生产工艺:以FeS04为原料,采用一种比NaN02更为有效且无毒的催化剂,在一定温度下通氧气或空气将FeS04氧化、水解、聚合得到聚合硫酸铁。该工艺的特点是:

(1)生产工艺简单、操作方便、稳定可靠;

(2)反应速率快、生产周期短,可以大大降低生产成本,增加经济效益;

(3)催化剂来源广泛,价格低廉,无毒无害。产品聚合硫酸铁不仅可以应用于废水处理,而且可以应用于饮用水的净化处理,以取代对人体有危害的铝系絮凝剂;

(4)产品质量好,经广州市卫生防疫站的分析检验,各项性能指标达到甚至超过了国外标准样品的性能指标。

1聚合硫酸铁生产工艺简介

1.1聚合硫酸铁的制备原理

FeS04在催化剂的作用下,被氧气或空气氧化为Fe2(S04)3,而后经水解、聚合反应得到聚合硫酸铁。

1.2聚合硫酸铁的制备方法

在聚合反应器中,按比例加入FeS04、H20、H2S04及催化剂,加热并保持一定的温度,使反应进行2小时,取样分析Fe2+,当分析不出Fe2+时,表示反应已经完全,所得产品为红棕色的透明液体。

2实验结果及讨论

2.1典型的试制产品与国外标准样品的比较

影响产品性能指标的因素很多,主要包括硫酸根例子与总铁的摩尔比,催化剂的种类及用量、反应温度等。通过试验,我们确定了最佳的工艺条件。

2.2硫酸根离子与总铁的摩尔比对反应速率及产品盐基度的影响

为了形成碱式硫酸铁,必须要使硫酸根离子和铁离子的比在1到1.5之间,它们的比例值是通过H2S04来调整的,如果加H2S04过多,则产品盐基度太低,达不到要求;如果加H2S04太少,则体系的酸度太低,降低了电对02/H20的电极电位,也就是减弱了02的氧化性。通过试验,我们确定了最佳比例为1.25—1.35。

2.3催化剂种类及用量对氧化反应速率的影响

为了与所选的催化剂进行比较,我们也以NaN02为催化剂进行了试验,实验表明,不同的催化剂有着明显不同的催化效果。我们所选用的催化剂来源广泛,价格低廉,且无毒无害,仅用2小时就将Fe2+全部氧化成Fe3+,而以NaN02为催化剂时连续反应18小时,Fe2+的转化率只有90%。因此,我们所选用的催化剂是非常有效的。

一催化剂的用量对反应速率的影响是很明显的,当催化剂用量小于2%时,反应较慢,反应时间超过5.5小时,而当催化剂用量大于2.5%时,反应时间均在2小时左右,继续增加催化剂用量对反应速率的影响不明显。因此最佳催化剂用量为2.5%。

2.4温度对氧化反应速率的影响

众所周知,提高温度可以加快反应速率,但是能耗也随之增加。在实验中,我们发现,当温度低于60℃时,氧化反应速率很慢;随着温度的逐渐升高,反应逐渐加快,当温度高于90℃时,由于Fe2+的水解及FeS04·7H20的脱水,产生了一些白色粉末状的难溶物,影响了氧气与Fe2+的接触,反而减慢了反应速率。因此,最佳温度范围为60—90℃。

综上所述,最佳工艺条件为:硫酸根离子和铁离子比为1.25~1.35;催化剂用量为2.5%;温度为60~90℃,反应时间为2小时。

5生产成本概算

生产1吨聚合硫酸铁的成本概算(单位:元/吨):原材料200,动力消耗60,其它费用60,综合生产成本320元/吨计,按市售价530元/吨计,每吨利润210元。

4结论

1)本文提出了一个聚合硫酸铁生产新工艺。最佳工艺条件为:(1)硫酸根离子和铁离子=1.25~1.35;(2)催化剂用量2.5%;(3)反应温度为60~90℃;(4)反应时间2小时。

2)本工艺反应速率快,反应时间从传统工艺的17小时缩短至2小时,可以大大缩短生产周期,降低生产成本,提高产量,增加经济效益;

3)本工艺所采用的原料来源广泛,价格低廉,产品质量好,不含有毒物质,不仅可以应用于废水处理,还可以代替铝系絮凝剂应用于饮用水的净化处理,防止人体摄取铝。因此采用本工艺生产聚合硫酸铁,不仅会带来经济效益,还可以带来不可估量的社会效益。

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