聚合硫酸铁生产新技术在给水处理上的应用

Posted 2023-01-12 水质

篇首语：学习是劳动，是充满思想的劳动。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了聚合硫酸铁生产新技术在给水处理上的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

为了开发给水处理优良的混凝剂，分析了聚合硫酸铁的制备原理、开发生产的主要难点，在此基础上对聚合硫酸铁的生产新技术及给水处理上的应用进行了试验研究，结果表明：采用提高反应温度可加快反应速度，采用强氧化剂KClO3(或NaClO3)直接氧化法可大大提高氧化能力，且氧化产生的杂质K盐或Na盐对水质不会造成新污染.该技术解决了生产聚合硫酸铁的主要难点，开发生产的聚合硫酸铁满足性能指标，且用量少、成本低、处理效率高、适用水质的范围广.该成果对给水处理混凝剂的开发具有一定的参考价值和指导意义.
文章编号：1008-0562(2012)02-0218-04
0.引言
聚合硫酸铁(PFS)是一种新型高效的无机高分子混凝剂，其状态为红褐色粘稠状液体，易溶于水，可配制任意浓度的溶液，近十年来，中国科技工作者在聚合铁的研究、开发及应用方面作了大量的工作，尤其在处理污水和工业用水方面效果更为显著，取得了良好的社会和经济效益[1-4].但是聚合铁能否应用于地表水处理、处理后的水质能否符合国家饮用水卫生标准，是一个重要的科研课题.另外，目前市场上生产PFS的主要方法是催化氧化法，该法不足之处是氧化反应时间长，催化剂用量较大，反应过程常伴随大量氮的氧化物排出.在已有研究的基础上[5-10]，本项目组对催化氧化法进行改进，提出提高温度和采用强氧化剂KClO3(或NaClO3)的直接氧化法来制备PFS，经过一年多现场试验和给水处理应用表明，该技术可解决生产PFS的难点，且聚合硫酸铁可作为优良的生活饮用水净水剂.
1.聚合硫酸铁处理水的重要性
1.1聚合硫酸铁是新型优良净水混凝剂
聚合硫酸铁是一种具有多种核结构的无机分子聚合物，当溶液中pH值不同时，在溶液中可以产生以下几种多核羟基络离子：[Fe2(OH)3]3+、[Fe2(OH)2]4+、[Fe3(OH)4]5+、[Fe4(OH)6]6+等，这些多核羟基络离子都是从水化铁离子到Fe(OH)3沉淀物之间的一系列过渡状态，多核络合物中心离子络合的羟基平均数较单核多，由于其核电荷数多，所以对胶体颗粒产生很强的电中和及吸附架桥作用，使水中的胶体颗粒、悬浮物得以去除，因此，聚合铁具有优良絮凝性能，是一种很有效的水处理剂.
1.2聚合硫酸铁能弥补以前所应用的净水剂的缺点
多年来各国应用的净水剂最早最广的是硫酸铝、碱式氯化铝等铝盐和三氯化铁等盐，结果表明：低分子的硫酸铝在水中泥砂含量比较少、pH值适当、水温较高时效果较好；三氯化铁、硫酸亚铁适用的水温范围比较大，但是它的水溶液腐蚀性比较强，使用起来比较困难.近年来又发现低价铝盐净水处理后，水中铝离子增加，进入人体后能在体内积累，长期摄入可危害人的神经系统、肝肾功能，加速人脑组织老化，再加上铝盐混凝剂在低温、低浊或高浊时处理效果不太理想、制水成本较高等特点，所以开发一种高效、低耗、安全的新型净水剂已成为一项重要攻关内容.而聚合硫酸铁能弥补以前所应用净水剂的缺点，具有用量少、成本低、效率高、适用原水浊度及pH值范围广、脱色效果好、腐蚀性小、处理水絮凝物沉降速度快、污泥压缩性和脱水性好，可作为优良的生活饮用水的净水剂.
1.3应用聚合硫酸铁适用的水质条件
(1)源水水质变化大时更应选择该净水剂当水质变化较大，例如水浊度最高时可达5000NTU以上，低时10NTU以下，这种水质急需一种适应性强的新型净水混凝剂.聚合硫酸铁适用性强，对水质变化大的水质具有理想的净化效果.
(2)能改善水质、具有良好经济和社会效益据某市有关权威部门统计，在青少年中贫铁率高达10%以上，同时过去使用的聚合铝对人体具有长期潜在的危害，而聚合硫酸铁不但没有危害，而且能提高人体对铁元素的吸收量，对减少居民的贫铁现状会起到积极作用.而且采用聚合氯化铝，成本很高，吨价格高达2400元，例如某市某水厂投产后，每年需花100万元购买聚合氯化铝净水剂，而自已开发、生产、应用聚合硫酸铁净水剂吨药成本仅在600元，每吨可节约资金1800元，所以能够大大降低制水成本，提高经济效益和社会效益.
2.生产聚合硫酸铁的主要难点及解决方式
聚合硫酸铁是硫酸亚铁在酸性溶液中经氧化、水解、聚合而成液体产品，其生产的主要难点是加快反应速度和提高氧化能力，只有解决了这两个难点，才能在实际生产中得以应用.
2.1加快反应速度
加快反应速度有两种方式，第一种是加入催化剂；第二种是提高反应温度，也就是在反应过程中加热.由于催化剂等会使整个化学反应变得复杂，生产工艺和设备也会相应变得复杂和增多，为此本文采取提高反应温度这种办法.
由于聚合硫酸铁生产时需将低价铁氧化成高价铁，在反应过程中需加入硫酸.那么在未反应前如果能够利用浓硫酸溶解时反应生成热，并把它控制在一定温度就能满足这一条件，这样还可免去锅炉蒸气加热等设备.经过实验，每立方米水稀释140L质量分数为98%浓硫酸，其温度就可以控制在70～85℃，既可以保证反应顺利进行，又会加快反应速度，但在稀释时应有叶片式或框式搅拌器，搅拌过程中加入硫酸，否则产生局部高温，发生沸腾现象.
2.2提高氧化能力
由于聚合硫酸铁应用于饮用水水质处理上，选择氧化剂时，一是要满足其氧化能力；二是氧化剂要对人体无害，基于这两条我们可选择强氧化剂KClO3(或NaClO3)直接氧化法，氧化过程结束后产生的杂质K盐或Na盐对水质不会造成新的污染.
2.3控制溶液的pH值
经试验测定，溶液的酸碱度是影响形成络合物核数的关键因素，也就是说当pH值过高或过低都会延长或降低硫酸铁聚合时间和效果，经反复测定，产品的pH值在0.5～1为最理想.
3.聚合硫酸铁的生产新技术
目前采用的催化氧化法普遍存在反应速度慢(反应时间长达十几小时)、生产周期长、生产成本高、经济效益差、催化剂有毒等问题.本工艺采用强氧化剂KClO3(或NaClO3)直接氧化法，并利用浓硫酸溶解时反应生成热来保证反应温度.该工艺具有如下特点：
(1)生产工艺简单，设备少(无需加热设备)，操作方便；
(2)原料来源广泛，价格低廉，生产成本低；
(3)反应速度快，生产周期短，经济效益快；
(4)产品质量稳定可靠，各项性能指标达到甚至超过了国外标准样品的性能指标；
(5)氧化过程结束后产生的杂质K盐或Na盐对水质不会造成新的污染.
3.1聚合硫酸铁的制备原理及工艺
硫酸亚铁在酸性溶液中，在氧化剂的作用下，被氧化而后经水解、聚合得到聚合硫酸铁.
(1)反应工艺流程：
反应工艺流程如图1.

(2)反应方程式：

3.2生产装置
本工艺采用高速搅拌反应釜，生产装置如图2.

在反应釜中按一定比例加水、浓H2SO4、FeSO4、KClO3等原料，反应1～2h后，取样分析产品的各个性能指标，检验合格后放至产品储罐中.
4.产品的主要性能指标
采用直接氧化法开发生产的聚合硫酸铁的主要性能指标完全符合国外标准样品，见表1.

5.聚合硫酸铁在给水处理中的应用
5.1净水效果及分析
以某水库水为源水，用该水库的底泥配制成250NTU、550NTU两种水质浊度，进行模拟试验，其结果如表2.

由表2混凝沉淀的试验结果表明：
(1)聚合硫酸铁的降浊效果突出，各种浊度的原水最后均可降至1NTU以下.
(2)去除色度效果也比较好，但沉淀物自身带有颜色，故滤前水色度未能降至15NTU下，但滤后即可降至15NTU以下.
(3)虽然锌含量均较高，但在混凝沉降后各浓度的水质试验中均不超过国家饮用水的卫生标准.
(4)混凝沉降后水中的硫酸铁含量符合卫生要求，未受所加聚合硫酸铁的影响.
(5)对不同浊度原水总硬度均能降低15%左右.
(6)聚合硫酸铁除菌效果也很好，在不同质量浓度的水样中能除去大量的微生物.
5.2净水效果的比较
聚合硫酸铁与聚合铝的净水效果比较见表3.从表3可以看出，聚合硫酸铁混凝沉降快，净水效果好，优于其他两种产品.

5.3生产成本比较
由于聚合硫酸铁生产时不需加热设备以及催化剂储存、计量、投加设备，因此设备简单，投资少，单套设备产量规模在20t/d，生产厂只需投资10万元.经过生产试验，如果每年产量2000t聚合硫酸铁，吨药成本仅在600元，而铝盐价格2400元/t，每吨可降低成本1800元，每年节约资金360万元，仅某市自来水公司每年耗用净水剂400t左右，改用聚合硫酸铁增收节支合计约70万元.
6.结论
(1)本文采用提高反应温度可加快反应速度，采用强氧化剂KCLO3(或NaCLO3)直接氧化法可大大提高氧化能力，且氧化产生的杂质K盐或Na盐对水质不会造成新污染；
(2)该技术解决了催化氧化法生产聚合硫酸铁的主要问题，且工艺简单，不需加热设备，操作方便，投资少，耗能低，原材料便宜，生产成本低；
(3)开发生产的聚合硫酸铁能够满足性能指标，且用量少、处理效率高、适用水质的范围广.该成果值得推广应用.