大化实验(3) 聚合硫酸铁的制备及其混凝性的测试

大学化学实验（3）实验论文PAGEPAGE9【大学化学实验Ⅲ】综合实验报告论文—聚合硫酸铁的制备及其混凝性的测试学院：化学与化工学院专业班级:无机102班姓名:王鹭学号:1008110417目录1、摘要 32、引言 43、实验目的 44、实验原理 44.1聚合硫酸铁的制备原理 44.2聚合硫酸铁的制备方法 65.实验步骤： 75.1.FeSO4的制备 75.2.聚合硫酸铁的制备 75.3、聚合硫酸铁各项主要性能指标的测定： 75.4、聚合物硫酸铁的混凝效果实验 86.实验仪器和试剂 87.实验过程 88.实验结果及数据处理 109.实验讨论 1010.参考文献 11聚合硫酸铁的制备及混凝性能测试1、摘要:聚合硫酸铁分子式：[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m(其中n<2,m=f(n))。聚合硫酸铁是一种新型、优质、高效铁盐类无机高分子混凝剂。聚合硫酸铁形态性状是淡黄色无定型粉状固体，极易溶于水，10%（重量）的水溶液为红棕色透明溶液。聚合硫酸铁的作用主要用于生活饮用水及工业用水的净化。也可对各种工业废水与城市污水(如食品、皮革、矿山、冶金、印染、造纸、石油等废水)进行净化处理,在水处理领域中有着良好的应用前景，研究聚合硫酸铁的制备方法及其反应各方面的因素，并从其制备过程中学习无极聚合物密度、黏度、浊度的测定等方法。聚合硫酸铁广泛应用于、工业用水、各种工业废水、城市污水、污泥脱水等净化处理。关键字:聚合硫酸铁混凝剂无机高分子水处理2、引言:我国是一个水资源短缺的国家，人均水占有量只有世界人均占有量的1/4，且随着工农业生产的发展，水污染也日趋严重，因而地表水处理和污水处理会用日益受到重视，水处理剂的用量不断增大，所以新型混凝剂的研究与开发越来越受到人们的关注。聚合硫酸铁(PFS)也称碱式硫酸铁或羟基硫酸铁,是一种无机高分子絮凝剂。与其他絮凝剂如三氯化铁,硫酸铝,氯化硫酸铁，碱式氯化铝等相比，聚合硫酸铁生产成本低、投加量少、适用PＨ范围广、杂质（浊度、COD、悬浮物等）去除率高、残留物浓度低、矾花沉降速度快、脱色效果好，因而广泛应用于工业废水、城市污水、工业用水以及生活饮用水的净化处理。本研究采用强氧化剂直接氧化法制备PFS,探索制备过程中各种因素对反应的影响，寻求合理的制备条件。研究此混凝剂应用于废水处理过程中各种因素的影响和最佳处理条件，为推广应用提供依据。3、实验目的：3.1、了解无机高分子的制备方法；通过实验逐步树立废物利用、变废为宝的思想。3.2、熟练称量、溶解、加热、抽滤、蒸发、结晶等基本操作。3.3、正确使用粘度计、浊度计、学会无机聚合物密度、粒度、浊度的测定方法，熟练酸度计的使用。3.4提高资料查阅的综合实验报告撰写能力。4、实验原理：4.1聚合硫酸铁的制备原理聚合硫酸铁是一种新型无极高分子净水混凝剂，他是红棕色粘稠液体，可由铁与稀硫酸作用生成硫酸亚铁，再用硫酸亚铁在硫酸溶液中控制一定酸度的条件下聚合制得。硫酸铁的制备铁屑与稀硫酸作用生成硫酸亚铁：Fe+H2SO4→FeSO4+H2↑硫酸亚铁在硫酸溶液中被氧化剂氧化为硫酸铁：FeSO4+1/2SO-24→1/2Fe2(SO4)3（2）制备聚合硫酸铁反应中每摩尔硫酸亚铁需要0.5mol硫酸，如果硫酸用量小于0.5mol，则氧化时，氢氧根取代硫酸根而产生碱式盐。它易聚合而产生聚合硫酸铁：6FeSO4+KClO3+3(1-n/2)H2SO4==3[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]+3(1-n)H2O+KClm[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]→[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m因此，在反应中，总硫酸根的物质的量和总铁物质的量的比值：（总SO-24/总Fe）应小于1.50从反应中可以得出，总硫酸跟物质的量和总铁物质的量得比值不能高于1.50，这样才能生成碱式硫酸铁。硫酸亚铁在硫酸溶液中可被氧化成硫酸铁，若在氧化反应过程中硫酸与硫酸亚铁摩尔比大于3/2,则Fe3+不会发生水解，就会影响碱式硫酸铁的制得，从而影响到聚合硫酸铁的获取。对此反应中的硫酸亚铁的氧化可采用多种方法进行，如在催化剂存在下用空气氧化、用氧化剂氧化（双氧水、次氯酸钠、氯酸钠、硝酸等）以及电解氧化法等，本实验采用的是氯酸钾作为氧化剂进行反应制取的。如下图：催化氧化反应(慢反应):2FeSO4+H2SO4+1/2O2→Fe2(SO4)3+H2O(1)水解反应(快反应):Fe2(SO4)3+nH2O→Fe2(OH)n(SO4)3-n/2+n2H2SO4（2）其中:n≤2聚合反应(快反应):m[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]→[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m（3）其中:n≤2,m≥f(n)反应中的（1）反应式催化氧化进行较慢，只要加快（1）反应的反应速率，控制整个聚合反应过程。反应（2）、（3）的速率都是较快的，其反应均可顺利进行。聚合硫酸铁的分子式：[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m参数指标——国家标准净水剂聚合硫酸铁（GB14591-93）项目指标全铁含量,%,≥18.5还原性物质（以Fe2+计）含量%,≤0.15盐基度,%9.0-14.0PH（1%水溶液）2.0-3.0砷（As）含量,%,≤0.0008铅（Pb）含量,%,≤0.0015不溶物含量,%,≤0.54.2聚合硫酸铁的制备方法聚合硫酸铁（PFS）也称碱式硫酸铁或羟基硫酸铁,分子式一般可表示为[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m,是硫酸铁在水解絮凝过程中的中间产物之一。液体聚合硫酸铁本身含有大量的聚合阳离子,如[Fe3(OH)4]5+、[Fe6(OH)12]6+、[Fe4O(OH)4]6+等，其在水溶液中存在着[Fe(H2O)6]3+、[Fe2(H2O)3]3+、[Fe(H2O)2]3+等络合阳离子。它们通过羟基(OH)架桥形成多核络离子,从而形成巨大的无机高分子化合物,相对分子量高达1*105。由于上述络合离子的存在,PFS能够强烈地吸附胶体微粒,通过粘附、架桥、交联促使微粒絮凝。同时伴随一系列的物理、化学变化,可中和胶体微粒及悬浮物表面的电荷,降低胶体的Zeta电位,从而破坏胶团的稳定性,使胶团微粒相互碰撞而形成絮状沉淀物。这种絮状沉淀物表面积很大,极具吸附能力。由于PFS的这种既可吸附又可脱稳、既有粘附又有架桥的作用,使之成为性能优越的无机高分子絮凝剂。5.实验步骤：5.1.FeSO4的制备按计量把除去表面油污的铁屑放入烧杯中，到人所需3摩尔每升硫酸，盖上表面皿，用小火加热，是铁屑合硫酸反应直至不再有气泡冒出为止。在加热过程中应不时加入少量水。趁热抽滤，滤液立即转移至蒸发皿中，此时溶液的PH值应在1左右。在溶液中放入一枚洁净的小铁钉，用小火加热蒸发，溶液温度应保持在70度以下，当溶液内开始有晶体析出时，停止加热，冷至室温，抽滤，称量。5.2.聚合硫酸铁的制备若FeSO4·7H2O晶体的纯度为95%，浓硫酸的密度为1.830g/ml，计算制备30ml聚合硫酸铁所需的FeSO4·7H2O的量为25.08g，浓硫酸为1.15ml。

5.2.1、配制硫酸溶液

向烧杯中加入90ml的水，再加入1.15ml浓硫酸，加热至40-50℃备用（也可以不用加热因为下一步反应为放热反应）

5.2.2、氧化、聚合

分别称取所需的25.35gFeSO4·7H2O和1.25gNaClO3，各分成12份，在搅拌下分别将两份FeSO4·7H2O和2份NaClO3加入到上述的硫酸溶液中，搅拌10min后，继续加入一份FeSO45.3、聚合硫酸铁各项主要性能指标的测定：5.3.1用测量范围为1.4001.500克每升的比重计测定20度聚合硫酸铁溶液的密度。5.3.2用PH计测定聚合物硫酸铁的PH值。5.3.3计算方法：粘度（Pa.S）=时间（s）*粘度计常数（m2.S2）*密度（kg/m3）5.4、聚合物硫酸铁的混凝效果实验在1000ml水样中加入20ml/L（以Fe计）聚合硫酸铁，用你变速电动同步搅拌机以150r/min的速度搅拌3min后，再以60r/min的速度搅拌3min，静止30min后，吸取上层清夜，用光电式度浊度仪测定浊度。对比水样浊度。6.实验仪器和试剂6.1实验室剂NaClO3（固，工业用），FeSO4·7H2O（固），H2SO4（浓，工业用），铁屑，小铁钉，去离子水等。6.2实验仪器电子天平，量筒，温度计（0-100℃），恒温槽，磁力搅拌器，酸度计，品是毛细管黏度计（内径0.8或1.0mm7.实验过程过程对比（如下图所示）1．刚刚加入聚合硫酸铁2.加入聚合硫酸铁之后大约半个小时8.实验结果及数据处理（1）密度：根据密度ρ=m/V

m1=50.28g；m2=96.5988g；v=30ml

m=m2-m1=（96.5988—50.28）g=43.7890g

ρ=m/V=（43.7890÷30）g/ml（2）pH值：测定PH值为0.87

（3）粘度：

粘度(Pa·S)=时间（s）×粘度计常数（m2/S2）×密度（kg/m3）

t1=137st2=148st3=148st=(t1+t2+t3)/2=143.3s

粘度=143.3×0.07354×10-3×1.4596=0.0155Pa·S

（4）浊度:原水样浊度>100对比水样浊度=18经聚合硫酸铁处理后的上清液浊度=43

9.实验讨论9.1.制备聚合硫酸铁实验中加入硫酸的作用是什么？酸在聚合硫酸铁的合成过程中有两个作用:①作为反应的原料参与了聚合反应;②决定体系的酸度，其用量直接影响产品性能。硫酸用量适当增加对提高合成反应是有利的。但硫酸用量太大,亚铁离子氧化不完全,样品颜色由红褐色变为黄绿色，且大部分铁离子没有参与聚合,导致盐基度很低，合成失败；硫酸量不足，量越少，生成Fe（OH）3趋势越大，硫即溶液中[OH-]相对较大9.2.为什么聚合硫酸铁能将悬浮物除去？生成的的聚合硫酸铁进一步稀释时形成Fe(OH)3胶体，形成沉淀，吸附，絮凝等作用，使水相中的悬浮沉降析出。9.3.为什么试验中悬浮物不易沉降？解决方法是什么？实验室的温度过低，加入的絮凝剂不足等引起絮状物颗粒太小不易沉降。用恒温箱或酒精灯加热使絮状物积聚沉淀。10.【参考文献】【1】廖霞、谢燕。无机化学实验基础实验（1）贵阳：贵州大学出版社，2008.8【2】陆雪良,徐肖邢,曾小君等。高相对分子质量聚合硫酸铁的制备新工艺研究,化工时刊,2002,第4期

【3】刘峙嵘，方裕勋，徐琼等。聚合硫酸铁合成及性能测试，化工时刊,2003，P【4】陈永亮，陈吉春.以硫铁矿烧渣制备聚合硫酸铁的新工艺［J］.资源环境与工程，2006，20（4）：863－866.【5】孙立梅，游建南。聚合硫酸铁制备新工艺中分析方法的研究，铀矿冶，2000，8，P19,3段【6】郑怀礼,刘克万.无机高分子复合絮凝剂的研究进展及发展趋势[J].水处理技术,2004,30(6):315-319.【7】郑怀礼,龙腾锐,袁宗宣.聚合