噴霧型聚合硫酸鐵的制備原理及制備流程

隨著我國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)水的需求量日益增大，由于地下水的開采已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，而地表水的處理和污水處理回用應(yīng)用日益廣泛，水處理劑的用量也不斷增大，目前廣泛使用的凈水劑有聚合氯化鋁、硫酸鋁、氯化鐵、氯化硫酸鐵、以及近年來迅速發(fā)展的聚合硫酸鐵、聚合氯化鐵和鐵鋁復(fù)合劑以及有機(jī)無機(jī)復(fù)合凈水劑等日益受到人們的關(guān)注。聚合硫酸鐵或堿式硫酸鐵之所以發(fā)展迅速，主要是因?yàn)榕c低分子混凝劑相比，具有絮凝體形成速度快，顆粒密度大，沉降速度快對(duì)于各種水的化學(xué)需氧量和生化需氧量以及色度、微生物等有較高的去除效果，并且對(duì)于處理水的溫度和pH值適應(yīng)范圍廣，另外原料價(jià)格低廉，生產(chǎn)成本較低，受到廣大水處理工作者的歡迎。

l制備原理

目前生產(chǎn)聚合硫酸鐵的方法很多，例如空氣（氧氣）的催化氧化法、氯酸鉀（鈉）氧化法、硫鐵礦灰加壓酸溶法、四氧化三鐵礦石酸溶氧化法等。無論以何種原料為基礎(chǔ)生產(chǎn)，均是采用控制硫酸根離子與鐵離子比例小于3/2的方法，制得不同鹽基度的聚合硫酸鐵。在以硫鐵礦灰生產(chǎn)聚合硫酸鐵時(shí)，由于它含有少量的皿鐵離子，只需加壓溶出三價(jià)鐵離子就可以制得聚合硫酸鐵，而以其他原料生產(chǎn)時(shí)，往往需要將亞鐵離子氧化形成聚合硫酸鐵。亞鐵離子的氧化過程要求氧化劑速度快、容易制備、價(jià)格低廉，只有這樣才能廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)，目前使用的氧化劑較多，例如過氧化氫、氯酸鹽、氧氣或空氣、次氯酸鹽、硝酸等，由于制造成本的限制，采用空氣或氧氣氧化法較多。氧氣氧化法又有氮氧化物催化法和二氧化錳催化法。

硫酸亞鐵在硫酸溶液中進(jìn)行氧化，如果硫酸：硫酸亞鐵<3/2，則三價(jià)鐵離子發(fā)生水解，產(chǎn)生部分氫離子和各種羥基鐵離子。

水解產(chǎn)生的氫離子反過來又能保證氧化還原反應(yīng)所需的氫離子，調(diào)整上述比值，就可以制得所需鹽基度的聚合硫酸鐵。如果控制上述比值大于3／2，則可以制得含游離酸的硫酸鐵溶液。目前國(guó)內(nèi)多采用氯酸鹽氧化法和氧氣氧氣法，前者用的氧化劑價(jià)較貴，盡管生產(chǎn)工藝十分簡(jiǎn)單，但總的生產(chǎn)成本相對(duì)后者較高，在以氮氧化物為催化劑用空氣與用氧氣氧化法的生產(chǎn)原理是完全一樣的。利用這一原理生產(chǎn)聚合硫酸鐵的工藝很多，技術(shù)水平狀況差別也很大。

氧是一種非常強(qiáng)的氧化劑，其氧化還原電位為E(O2／H2O)=1.23V，可以將結(jié)晶硫酸亞鐵直接氧化成堿式硫酸鐵，反應(yīng)方程式如下：

4FeS04+O2+2H20=4Fe(OH)S04(1)

此反應(yīng)在空氣中就能緩慢地進(jìn)行，如果在高溫條件下，則能迅速氧化，這也是直接生產(chǎn)固體聚合硫酸鐵的原理。

在酸性溶液中亞鐵離子的氧化速度則非常緩慢，如果在氮氧化物或二氧化錳的催化下，反應(yīng)能很快地進(jìn)行，二氧化錳催化法由于較終產(chǎn)品含有一定量的二價(jià)錳而不能用于飲用水的處理，而前者則不存在此問題。氮氧化物的催化氧化過程是一個(gè)氣液反應(yīng)，反應(yīng)速度由氣體的吸收速度所控制，只有加快氣體的溶解速度才能提高反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)周期。為此有兩條途徑可以選擇，一是提高氣相壓力，一是加大氣液反應(yīng)表面積，或者兩者結(jié)合以達(dá)到加快反應(yīng)速度的目的。根據(jù)已往的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)加大氣液反應(yīng)表面積的效果要比提高壓力的作用大，對(duì)于一定量的液體，在霧化過程中液滴越小，其表面積越人，氣體的吸收速度也越快，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了噴霧法生產(chǎn)聚合硫酸鐵的新工藝。

制備過程中反應(yīng)不斷循環(huán)，直到亞鐵離子完全氧化。上述反應(yīng)是一氣液反應(yīng)。只有在加大氣液反應(yīng)表面積時(shí)才能加快反應(yīng)速度·提高生產(chǎn)效率，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)工廠采用反應(yīng)釜，以攪拌的方式進(jìn)行生產(chǎn)，這種方法氣液反應(yīng)接觸面積小，反應(yīng)速度慢，限制了生產(chǎn)效率的提高，我們以前報(bào)道的反應(yīng)塔法生產(chǎn)聚合硫酸鐵的新工藝完全克服了這一缺陷，并可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，使生產(chǎn)成本大幅度降低，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。生產(chǎn)的聚合硫酸鐵質(zhì)量完全達(dá)到了國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且為了便于運(yùn)輸和生產(chǎn)固體產(chǎn)品還可以生產(chǎn)三價(jià)鐵離子濃度為200g/L的產(chǎn)品。噴霧法生產(chǎn)聚合硫酸鐵其反應(yīng)原理與反應(yīng)塔法類似，工藝的區(qū)別在于反應(yīng)液在反應(yīng)器中以霧化態(tài)與混合氣體反應(yīng)。這同樣也可以提高反應(yīng)接觸面積，加快氣體的吸收，達(dá)到縮短反應(yīng)時(shí)間的目的。為了進(jìn)一步加快反應(yīng)的進(jìn)行，可以使氣體和液體同時(shí)進(jìn)行逆向循環(huán)，氣體由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，反應(yīng)過程中不斷向反應(yīng)器中補(bǔ)充氧氣，保證一氧化氮的迅速氧化和二氧化氮的吸收。生產(chǎn)工藝見圖1。

制備過程如下：在加熱器中加入晶體硫酸亞鐵、硫酸和水。加熱升溫至一定溫度后使液體和氣體同時(shí)處于循環(huán)狀態(tài)，在常壓下氣相中的二氧化氮與霧化狀的液體反應(yīng)．如此不斷循環(huán)，直至亞鐵離子完全氧化，即可結(jié)束反應(yīng)。反應(yīng)指標(biāo)：Fe3+：11%～14%，鹽基度：8%～16%；Fe2+≤0.1%；水不溶物：≤0.1%；密度(20℃)：1.47～1.6g/cm3。

2結(jié)論

噴霧法制備聚合硫酸鐵的方法具有反應(yīng)速度快、效率高、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、操作安全方便的特點(diǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，完全達(dá)到并超過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這一新方法的應(yīng)用為聚合硫酸鐵的生產(chǎn)開辟了新途徑。