聚铁是优良安全的自来水和工业污水的处理剂

聚合硫酸铁(简称聚铁，PFS)自70年代问世以来，引起了世界各国的水处理界专家学者的关注。80年代初，日本实现了工业规模生产。我国从80年代初开始对聚铁进行研制，80年代中期，化工部天津化工研究院及其一些大专院校先后开发出釜式反应生产工艺，以搪瓷釜为反应器，在一定工作压力和温度下，在进行搅拌的同时，先后加入反应原料及催化剂进行氧化、水解和聚合反应。此工艺先后在国内建成几条生产线，取得一定的运行经验，并生产出了质量可靠的产品，用于工程实践，取得了良好的效果。90年代中期山东建筑工程学院在多年研制的基础上，于1995年建成了塔式生产聚铁的生产装置，并投入了试生产。据报道，此工艺中的化学反应在反应塔内进行，反应速度快，可在常压或低压下运行，操作安全。一些研究单位和大专院校还进行了硫酸亚铁与过氧化氢、硫酸亚铁与氯酸钾直接合成的实验室及小型工业生产实验，但目前尚未有进行工业生产的报道。从总体看，我国聚铁的研制和工业生产水平接近某些发达国家的水平，生产出的产品能够满足给水净化和废水处理的要求。

聚铁与传统的硫酸亚铁、三氯化铁、硫酸铝等净水剂相比较有着突出的优点：对原水的pH适应范围广，絮凝体形成速度快、密集且重量大，沉降速度快。尤其对低温、低浊水有着优良的处理效能。对各废水中的BOD、COD及色度有良好的去除效果。同时由于聚铁生产工艺简单、原料价格低，因此生产成本低。以聚铁和聚铝相比，净水效果和用量大致相当，但药剂费可节约30～50%，经济效益显著。因此国家环保局1992年、1994年两次将聚铁列入环境保护较好实用技术推广项目，但推广情况并不理想。一个重要原因是一些学者认为使用催化剂亚硝酸钠生产的聚合铁，由于在生产中使用亚硝酸钠限制了产品的使用范围；有的甚至提出亚硝酸钠本身有致癌作用。因此从对人们的身体健康负责角度出发，许多单位不敢选用聚铁做净水剂；有的水厂虽然使用聚铁后效果很好，也因上述原因改用了其它的药剂。笔者拟对此进行分析。

目前我国形成一定生产规模的聚铁厂，无论是采用有一定运行经验和可靠的压力釜法生产工艺还是进行试生产的塔式工艺法都是加入催化剂进行氧化反应，都以硫酸、硫酸亚铁、氧气和水为原料，在一定压力温度条件下用氧化剂进行氧化。从电化学角度看，可以氧化亚铁的氧化剂较多，但在酸性溶液中其氧化还原电位必须大于硫酸亚铁中铁离子的氧化还原电位。

国内外常用来进行直接合成试验的氧化剂有过氧化氢、氯酸钾、次氯酸钠。上述直接合成法至目前为止，因成本或生产工艺问题而未形成工业规模生产。氧气是一种较强的氧化剂，可将带结晶水的硫酸亚铁直接氧化成碱式硫酸铁，此反应在空气中就能缓慢进行，在酸性溶液中氧气氧化硫酸亚铁的速度亦很缓慢。由FeS04.7H20转化为PFS时，氧化反应、水解反应和聚合反应同时存在，在这三个反应中氧化反应是关键，主要取决于氧化反应的速度。为了加快反应速度必须通过催化作用改变反应途径，使新途径的活化能降低，从而加快反应速度。国内外专家学者在催化剂的选用上做了大量的工作，日本在1976年发表了以硫酸亚铁和硫酸为原料的催化氧化法制备聚铁的专利，催化剂选用亚硝酸钠。国内提出了尚未公开的催化剂，用量少，缩短了反应时间。在对可能起催化作用的化合物进行了大量对比实验后，认为NaNO2仍不失为一种优良的催化剂。

目前，我国形成规模生产的聚铁厂都选用NaNO2作催化剂。目前对催化反应的过程和催化剂NaNO2作用原理尚未有统一看法，笔者认为其过程和原理是亚硫酸钠在稀硫酸液中，生成亚硝酸，亚硝酸是一种弱酸，电离常数K=4.6×10-4，很不稳定，仅存于冷的稀溶液中，溶液浓缩或微热时会分解为NO和N02，故可知亚硝酸及其盐主要表现为氧化性。NO是无色气体，几乎不溶于水。

关于Fe(NO)S04不同学者对此有不同看法，有的认为难以断定是化合物或是数种化合物；有的则认为是利用NO分子内的孤对电子与过渡金属铁离子形成的配合体。它的成份随温度而改变，NO多在空气中被氧化为NOz，它是一种强氧化剂。硫酸亚铁在硫酸溶液中进行氧化，如果硫酸用量不小于HZS04：FeS04=1：2，则硫酸亚铁被氧化成硫酸铁。在HZS04:FeS04<1:2时三价铁离子发生强行水解，产生氢离子和各种羟基离子，在这种情况下，可制得聚合铁。反应体系还伴有副反应：有O2的情况下，聚铁生成的整个反应过程是相当复杂的，

亚硝酸钠对聚合铁的催化反应实际是NO，有的文献报道真正的催化剂是NO2，包括NO、N02、N203，实际上N203只是HN02分解的中间产物，只在低温时存在。由于聚合反应是在聚合釜内进行，温度被控制在较高的数值范围内，反应在酸性溶液中进行，催化剂已不能以亚硝酸钠的形式存在。则不可能以亚硝酸钠的形式进入产品内。

大港油田滨海水厂以滦河水为水源，使用聚铁做净水剂，已运行三年，未曾发现源水净化后亚硝氮含量增加的情况，而是含量降低。为进一步验证使用聚铁做饮用水净水剂给原水中亚硝氮的含量带来的变化，净水剂厂请天津市卫生防疫站对水厂使用的聚铁（以钛白粉副产品硫酸亚铁为原料）进行了分析，并对其净化后的水进行分析化验，其结果见表1。

从结果中进一步证实了用聚铁净化水不但不会增加而且还可以降低亚硝氮的含量。我国在GB5749-85饮用水水质标准所列项目中并未列出亚硝氮。在城市供水行业2000年技术进步发展规划中要求一类水司的水质标准中亚硝酸盐的含量为0.1mgN02/L。可见处理后的水是达到了一类水司要求。

从上述结果中还可以看出，使用聚铁净化水，不但不会使水中铁的含量增加，而且除铁效果显著。而有的报道则认为，使用聚铁进行净水处理会增加水中铁的含量，同时会给水的色度带来影响，这与上述事实截然不同。这一现象较近在大港油田的油层污水处理中又得到证实，油田采油作业区用聚铁处理油层污水，其原水和处理后的水化验结果见表2。

可以看出，聚铁确是一种优良的无机高分子净水剂，有着常规无机净水剂不具备的特性。其原因主要在于聚合铁其分子量比一般混凝剂大得多，其中存在低聚多核羟基络离子，这类络合离子在疏液表面有很强的化学作用，投加后将会产生迅速的吸附架桥作用，使粘土颗粒达到电中和脱稳絮凝，又发挥粘结架桥卷扫絮凝作用，表现出较高的絮凝效果，是优良安全的自来水和工业污水的处理剂。但关于聚铁的合成、形态、效能、絮凝机理还不很清楚，需经进一步深入研究，使之应用更为广泛。