絮凝劑聚合硫酸鐵的制備方法對比分析

郭立新，王開花(呼和浩特民族學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

近年來，現(xiàn)代化工技術(shù)發(fā)展日新月異，在廢水處理方面絮凝劑的種類更是數(shù)不勝數(shù)，總體分為物理法、化學(xué)法和生物法。生物法利用微生物降解作用和絮凝劑絮凝作用將水體中的大部分污染物絮凝處理成本較低。物理化學(xué)法主要有吸附法和電化學(xué)法，但此法對于高濃度廢水的處理效果并不理想，對吸附設(shè)備也有較高的要求。

化學(xué)沉淀法應(yīng)用范圍廣泛，該法制備的絮凝劑一般分為有機(jī)絮凝劑和無機(jī)絮凝劑，有機(jī)絮凝劑種類多，最具有代表性的是聚丙烯酰胺，但是這種絮凝劑的制備工序和流程都比較復(fù)雜，造價(jià)成本高，且處理過程易產(chǎn)生有機(jī)副產(chǎn)物。無機(jī)高分子絮凝劑制備流程簡易、造價(jià)低、處理效果良好且對環(huán)境無害，最具代表的有聚合硫酸鐵。聚合硫酸鐵的優(yōu)點(diǎn)很多，主要有來源廣、絮凝效果好、價(jià)格低廉、可以去除水中BOD、COD及大部分重金屬離子等有點(diǎn)，應(yīng)用于重度污染的河湖治理、工業(yè)廢水的處理和污水處理廠的運(yùn)行等。

1 聚合硫酸鐵絮凝劑的研究現(xiàn)狀

1974年日本鐵礦業(yè)株式會社第一次以硫酸亞鐵和硫酸為原料，通過亞硝酸鈉催化氧化硫酸亞鐵經(jīng)反應(yīng)17個(gè)小時(shí)后制得聚合硫酸鐵絮凝劑[1],從此打開了聚合硫酸絮凝劑的大門，聚合硫酸絮凝劑如雨后春筍一般開始了蓬勃的發(fā)展。

經(jīng)過近20年的研究，我國學(xué)者對聚合硫酸鐵的制備來源的研究有了很大的進(jìn)步，更多的向工業(yè)廢渣和廢酸的方向發(fā)展，通過廢酸溶解廢渣獲得母液來制取聚合硫酸絮凝劑。楊杰等[2]利用不同的氧化劑制備了聚合硫酸鐵，并以鹽基度為考察標(biāo)準(zhǔn)，研究了氧化劑的種類、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及硫酸亞鐵與硫酸的摩爾比對反應(yīng)工藝的影響。張愛麗等[3]將聚合硅酸與聚合硫酸鐵復(fù)合得到F-PFS。張開仕等[4]利用粉煤灰、廢鐵屑、廢硫酸等廢棄物制備出了性能較好的絮凝劑PFASS。劉佩紅等[5]采用硫鐵礦燒渣為主要原料，生產(chǎn)制備新型聚合雙酸鐵鋁混凝劑及其水處理混凝性能進(jìn)行了研究。白風(fēng)榮等[6]以赤鐵礦為主要原料，用硫酸提取Al3+、Fe3+制備了聚合硫酸鋁鐵(PAFS)。上述研究為后續(xù)聚合硫酸絮凝劑的研究提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和啟發(fā)，學(xué)者們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了更多的可行之路。

2 聚合硫酸鐵的制備

一般的聚合硫酸鐵絮凝原理較為簡單，可以概括為吸附架橋、壓縮雙電層、吸附電中和、網(wǎng)捕卷掃等原理。通常由催化劑催化硫酸亞鐵氧化為硫酸鐵，然后通過控制硫酸鐵水解過程，使其形成不同形態(tài)的羥基化合物，最后由不同羥基類鐵化物聚合形成不同類型的大分子羥基絡(luò)合物。

2.1 用催化濕式過硫酸鈉氧化脫硫廢渣制備聚合硫酸鐵

郭冉等[7]利用熱輔助脫硫廢渣中的Fe2+活化Na2S2O8獲得SO42-，然后硫酸根自由基氧化脫硫廢渣中的硫化物和低價(jià)態(tài)鐵制得硫酸鐵母液。該方法的制備條件是調(diào)節(jié)母液的初始pH為9，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度為55 ℃、反應(yīng)時(shí)間為2 h，此條件下Fe2(SO4)3水解后聚合成聚合硫酸鐵絮凝劑。本方法利用熱輔助脫硫廢渣活化Na2S2O8，活化率提高了5.5倍，反應(yīng)速度有很大的提高。

2.2 用稀土鑭改性制備聚合硫酸鐵

拜俊岑等[8]利用稀土鑭對絮凝劑進(jìn)行改性處理，制備固體稀土鑭改性聚合硫酸鐵絮凝劑。它的作用原理同有機(jī)絮凝劑類似，利用稀土鑭在一定程度上增長絮凝劑的鏈狀架構(gòu)，即可以獲得絮凝效果優(yōu)良，吸附能力強(qiáng)的成品。利用稀土鑭對絮凝劑改性處理，增長鏈結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)其吸附能力。

2.3 利用鋁箔廢酸制備聚合硫酸鐵鋁

張驍?shù)萚9]以鋁箔酸洗廢液為原料，通過酸溶—堿化—水解熟化等工序制備了聚合硫酸鐵鋁。此方法多應(yīng)用于鋁制工業(yè)中，具有以廢治廢的特點(diǎn)、成本低、操作簡單。不僅可以回收鋁資源，還可以減少固體廢渣排放量，同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間較長，且對硫酸濃度有較高要求。

2.4 固體生物聚合硫酸鐵的制備

徐小慧等[10]以工業(yè)FeSO4·7H2O為原料，制備生物聚合硫酸鐵(BPFS)，利用減壓蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)一步制得固體生物聚合硫酸鐵。對該產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分析表明該產(chǎn)物是一種非晶態(tài)物質(zhì)，固體粉末顆粒沒有呈現(xiàn)特定的晶型結(jié)構(gòu)、密度小、分子比表面積大。結(jié)構(gòu)分析表明了該產(chǎn)品在吸附微小顆粒方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

3 聚合硫酸鐵制備方法對比分析

通過對上述四種方法的制備條件和絮凝效果進(jìn)行數(shù)據(jù)總結(jié)，可以得到表1的數(shù)據(jù)。

表1 四種方法的制備條件對比

由表1可以看出，聚合硫酸鐵的制備具有相當(dāng)廣泛的來源，而且大部分來源廣泛、價(jià)格低廉。其中，每種絮凝劑在其制備的過程對配料比、pH、酸度和鹽基度都有嚴(yán)格的要求。如表1所示，催化法的配料比要嚴(yán)格控制在1.5、pH在9左右才能制備出成品，如果配料比大于1.5時(shí)，則會導(dǎo)致亞鐵離子不能完全氧化過硫酸根離子，無法生成硫酸；配料比小于1.5時(shí)，則會導(dǎo)致亞鐵離子過量，多于的亞鐵離子會污染母液，使得產(chǎn)品不純。同樣的，其他三種方法如果不按照規(guī)定的條件去制備，也會造成此類問題。

4 結(jié)語

通過對國內(nèi)廣泛應(yīng)用的四種絮凝劑制備方法的分析，可以看出四種方法各有優(yōu)劣，這是由于每種絮凝劑所作用的環(huán)境不一樣導(dǎo)致的。針對排污量小、規(guī)模小的企業(yè)適用于催化法制取的聚合硫酸鐵；稀土鑭改性法制取的聚合硫酸鐵尚處于研究和開發(fā)階段；酸溶堿化法制取的聚合硫酸鐵適用于出水要求高、規(guī)模大的企業(yè)；固體生物法也處于研究和開發(fā)，但是該法與微生物相結(jié)合，如果能克服缺點(diǎn)，就能得到長足發(fā)展。學(xué)者們充分發(fā)揮了因地制宜的思想，根據(jù)環(huán)境和條件的不同研究出了最適合生產(chǎn)的絮凝劑。絮凝劑的發(fā)展不僅能提高產(chǎn)能，也可以減少排放。

學(xué)者們在不同的方向上對絮凝劑展開了研究，不遺余力地研究出了與生產(chǎn)相對應(yīng)的制備方法，雖然每種方法都有不足之處。但這并不影響絮凝劑在水處理工程中的重要應(yīng)用，絮凝劑的發(fā)展也是保護(hù)環(huán)境、提高產(chǎn)能、加大社會經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)。