2023年无机混凝剂的制备实验报告.docx

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1、华南师范大学实验报告学生姓名 学 号专 业 化学（师范）班 级 1 2化教五班课程名称化学综合实验。实验项目无机混凝剂的制备实验类型口验证口设计口综合 实验时间2023 年 3 月 25 日实验指导老师廖高祖老师 实验评分无机混凝剂的制备一、前言.实验目的了解混凝剂在水中解决中重要作用,混凝剂的种类与制备方法。掌握合成无机混凝剂的操作技术。学会通过金属含量、碱化度、Zc ta电位的测定，评价混凝剂的水解决产品稳定性和混凝性能。1 .文献综述混凝法是废水解决中非常重要、应用广泛的方法，即在废水中预先投加化学药剂来破坏胶体的 稳定性，使废水中的胶体和细小悬浮物聚集成具有可分离性的絮凝体，再加以分离

2、除去的过程，其混 凝机理涉及压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀网捕等。混凝剂按组成、性质分类可大体分为无机混凝剂、有机混凝剂、微生物混凝剂3类。这里着重 介绍无机混凝剂。无机混凝剂重要有铁盐系和铝盐系两大类，按阴离子成分又可分为盐酸系和硫酸(1)聚铁制备实验中，一般硫酸与硫酸亚铁的摩尔比控制在0.25045的范围内，此比值或大或 小时，也许会出现什么结果？答：硫酸在聚合硫酸铁的合成过程中有两个作用：作为反映的原料参与了聚合反映；决定 体系的酸度，其用量直接影响产品性能。文献显示，硫酸用量适当增长对提高合成反映是有利的。在 反映中，当硫酸与硫酸亚铁的摩尔比小于范围时,F/+在溶液中很容易直接

3、水解成Fe(OH) 3,甚至也许生成沉淀，因此难以形成聚合物；而当硫酸与硫酸亚铁的摩尔比大于0.2 0-0.45范围时， 盐基度较低,产品难以聚合形成，絮凝效果差;同时也不利于Fe?+的氧化，影响转化率。文献表白:只有当硫酸与Fe2+的物质的量之比介于0.200.45之间时，聚合硫酸铁产品性能 最佳。(2)过氧化氢用量的影响H2O2的用量对产品质量指标有很大的影响，当H2O2加入局限性时，Fe2+不可以完全氧化F/+, 此时溶液中仍然具有较多的Fe?+;加入量过多时，固然可以保证氧化完全，但引起氧化剂不必要的浪 费。(3)过氧化氢加入速度为了保证氧化反映的进行，必须控制氧化剂加入的速度，在搅拌

4、作用下使物料之间充足接触反 映。但若加入速度过慢,反映所需时间过长，对工业生产是不利的。若加入速度过快，氧化剂有也许 来不及与物料充足接触反映就被分解。(4)反映温度的影响用滴加的方式加入H2O2,由于反映放出大量热，温度对Fe?+的转化率影响不明显。但在温度较低 时，七水合硫酸亚铁很难溶解，延长了反映时间，同时Fe2+的转化率稍有减少;在温度较高时，会引起 出。2部分分解，使溶液中具有较多的Fe?+。所以把温度控制在506 0c即可。(5)搅拌速度的影响此反映在搅拌作用下，使氧化反映均匀快速进行。搅拌速度小,七。2没有及时分散，会导致局部 氧化及H2O2分解，从而导致Fe 2+不可以完全氧化

5、；若搅拌速度大，溶液飞溅，不仅增长能耗且氧 化不均匀。2 .实验结果与讨论：总的来说本次实验结果比较抱负,实验制备得到的聚合硫酸铁为红褐色液体，久置有少量棕黄色 不溶物。通过计算，其总铁含量为1 62.5g/L,大于标准的8()g/L,说明具有较高的总铁浓度。但制 得的产品二价铁含量47.26g/L明显高于标准值，产率(转化率)为7 0.9%,说明Fe ?+被氧化限度相 对较低;同时产品的碱化度为I 7.8 %,在标准范围内，说明混凝剂的聚合度较高。分析实验过程中导 致出现该结果的各种也许性：(1)导致产率(转化率)的因素：将FeSO47H2。加入烧瓶中溶解时不能完全溶解，需通过搅拌、加热溶解

6、所有固体溶解，所需 的时间长。因此会在一定限度上减缓Fe?+被氧化的速率，从而减少了发生聚合的F/+的浓度，则最 后所得的混凝剂的转化率卜.降，Fe?含量增长；在实验过程中控制水浴温度为50-60r,加入H2O2时，一部分的H2O2因温度以及浓硫酸的 强酸性、强氧化性作用之下迅速分解逃逸，这也导致实际参与反映的过氧化氢局限性，同时本次缩 短了 H2O2的滴加时间,使得反映时间缩短了，Fe?+被氧化为Fe+难度也就相应增大；(2)久置有少量棕黄色不溶物的因素：本次产品的碱化度为17.8%,比较高，由于Fe(OH)3溶度积非常小,Fe + xOH 3=4x| 0 -38(2Or),在溶液中很容易沉

7、淀。四、结论本实验采用直接氧化法，氧化硫酸亚铁，并使三价铁离子发生水解、聚合，形成新型的无机混凝 剂聚合硫酸铁。制备得到的无机混凝剂聚合硫酸铁为红褐色液体，总铁含量为16 2.5g/L,二价铁含 品4 7.268%,产率(转化率)为70.9%,碱化度为1 7 .8%,均与标准值接近或在标准值的范围内，总的 来说结果比较抱负。若能再控制H2O2的滴加速度和时间，提高二价铁的转换率，实验结果会更加。五、参考文献1吕向红，叶炳林.聚铁种新型无机高分子混凝剂，广州化工,199 0, (3) :3 32陈平.混凝剂的开发进展.污染防治技术,2 023, 9(1)： 20郑怀礼，刘克万.无机高分子复合絮凝

8、剂的研究进展及发展趋势几水解决技术，2 0 2 3 30(6):315-31 94高礼让等.新型聚合硫酸铁的研制及其结构和净水效果的探讨.化学世界,1996, (10 )： 519系，按相对分子质量大小又可分为低分子体系和高分子体系两类,重要混凝剂有FeC 13、A1CL、 Fe2(SO4)3s A12(SOj)3及其多聚物等。无机混凝剂应用较早，广泛用于水的净化解决和污水的脱泥解 决等。目前,最具市场潜力和应用前景的混凝剂是聚合硫酸快(PFS),这是一种无机高分子混凝剂，其分 子式可表达为Fe2(0H) n(SO4)3.陋m,其相对分子质量可高达1。根据红外光谱和透射电镜分析, 聚铁溶液中包

9、含多种铁的配合离子，如F e(H2O) 6+、Fe(H2O) 3 3+、lFe(OH)2j Fc (OH) J 3- Fe(OII)4r，Fe(OH)5 2-等，这些带电粒子具有很强的架桥、卷扫、絮凝和电中和等作用, 受到pH值和带点颗粒的影响很容易脱稳形成更大颗粒的絮状沉淀，沉降速率更快，比传统的简朴 无机盐即铁盐和铝盐混凝性能要好得多，去除COD、S、浊度、臭味、重金属的能力和脱色、脱水等 性能更好、絮体沉降速度更快，因此在各种废水治理、工、业水解决及污泥脱水中得到了广泛的应用。 又因价格较低，逐步成为主流絮凝药剂。目前，市场上有两种类型的聚铁产品，即液体聚铁(或聚铁溶液)和固体聚铁。液体

10、聚铁的生产方法 根据原料的不同重:要有以下两种：以铁盐为原料，将其直接水解;以硫酸和硫酸亚铁为原料。这乂 分为直接氧化法和催化剂氧化法。直接氧化法是在快速搅拌下，用强氧化剂，如H2O2、CL、KC1O3、 MnOz等，直接氧化硫酸亚铁的硫酸水溶液(硫酸与硫酸亚铁的摩尔比在0. 20-0.45范围内)而制 得产品。催化氧化法是在快速搅拌下，以亚硝酸钠作为催化剂，用氧气或空气氧化硫酸亚铁的硫酸水 溶液(硫酸雨硫酸亚铁的摩尔比在范围内)而制得产品。工业上一般采用催化氧化法，特别可采用工业副产品废硫酸亚铁和废酸(酸洗废酸、T i O2生产废 酸)等为原料，生产工艺简朴、原料价廉易得，能以废治废，因而具

11、有广泛的社会效益、环境效益和 经济效益。液体聚铁和固体聚铁各有其优点缺陷。液体聚铁制备方法简朴、使用方便，但运送困难，储存过 程中容易水解出现浑浊(特别当聚铁的碱化度比较大时)。为了延长稳定期间，往往要在溶液中加入 NaC 1、KCk Na3Po八K3PO4等盐类。固体聚铁可克服以上缺陷，但制备时耗能大。聚铁最先是由日本于20世纪70年代开发成功的液体产品，并于80年代初实现工业化生产。我 国于80年代开始对聚铁进行开发研究。到FI前为止，已开发成功采用不同原料和不同生产方法的制 备工艺，力图克服文献方法中的缺陷。如将催化空气氧化法改为密闭容器中的加压氧气氧化法， 既提高了反映速率，又避免了

12、NO X的泄漏;采用废铁屑、废硫铁矿渣、废铁矿石渣、其他铁矿渣等 为原料，以废治废。自聚铁出现以来对其研究和开发一直未间断过，目前已发展到聚铁分子中可包含几种甚至多种 其他的阳离子和阴离子，如AF+、Cl POj 、SiOx等，这可大幅度提高其混凝性能和絮体沉降 速度。单纯的聚铝类和聚铁类高分子混凝剂现在已研究较少，复合型和硅酸盐金属类高分子混凝剂 现在己成为研究热点；并且，无机与有机高分子狂合共聚的混凝剂已成为新的方向。2 .总结本实验采用直接氧化法，氧化硫酸亚铁，并使三价铁离子发生水解、聚合，形成新型的无机混凝 剂聚合硫酸铁。本法操作简易，材料易于获得且无公害，方法通过改善后能在工业生产上

13、有显著的优 势。在制备混凝剂过程中，需注意硫酸与铁的配比，并且控制氧化剂用量、温度的控制、加入时间、 反映时间的因素，提高产物产率及纯度。二、实验部分L实验原理（1）制备原理本实验采用工业副产品废硫酸亚铁和废酸（酸洗废酸、T i。2生产废酸）等为原料制备混凝剂聚 合硫酸铁溶液（PFS）o采用直接氧化法，即用强氧化剂，如H2O2 CL、KC1。3、MnO2等，直接氧化硫酸亚铁的硫酸 水溶液（硫酸与硫酸亚铁的摩尔比在0. 2 0-0.45范围内）而制得产品。反映过程中，一方面，铁盐（三价）在水溶液中会发生水解生成碱式铁盐;另一方面，亚铁盐在足量的硫酸溶液中被氧化时，会生成铁 盐。这样,当亚铁盐的硫

14、酸溶液中硫酸的量局限性时，氧化的最终将会发生水解，在硫酸亚铁和硫酸的 比例合适的情况下，同时还发生聚合，形成高分子的碱式铁盐，即聚合硫酸铁(简称聚铁)。为了防 止形成碱式铁盐沉淀，总硫酸根于总铁盐的摩尔的比以1.2 5-1. 45为佳。硫酸铁聚合过程及其复杂，一般认为分三个大环节。氧化过程二价铁在氧化剂作用下被氧化为三价铁,这是比较复杂的一步，目前采用的氧化剂 种类很多,显然采用不同的氧化剂对氧化过程的影响是不同样的，即使是同样的氧化剂，对过程的机 理，不同的研究者也存在不同的见解。以氧化剂H2O2为例，其反映过程如下所示：2FeSO 4 + II 2O2+H2SO4=F e 2(S0 4 )

15、3+2H 2 O(4-1)水解过程 水解是Fe3一和OH互相结合的过程,这是极其重要的一步，其重要概念是盐基度， 盐基度B=OH/ (3Fe力)QH结合越多，则聚合度就越高，絮凝效果也就越好，产品质量越高， 水解反映过程如下所示：Fe：t+OH=Fe(OH)2+(4-2)Fe (OH)2+ OH=Fe (OH)2+(4-3)Fe(OH)2+OH =Fe (OHh(4-4)(4-2 )、(4-3)两式对盐基度B有奉献，但式(4须加以克制，由于Fe(OH)3溶度积非常小，F e3+xOH- 3= =4x1 0-38(2 (TC),在溶液中很容易沉淀，在水解过程中应当限制该反映的发生。聚合过程聚合过

16、程的化学方程式如下：mFe2(OH) n( S O4)3-n/2-F e 2(OH ) (S 04)32 m(4- 5 )式中，m表达聚合度的大小,聚合度m在反映过程中是逐渐增长的，该值是个表观值。综合起来,可以认为整个制备过程的化学反映方程式如下：(4-6)4 FeSO4 +(2-n)H2so4+(2n-2)H?O+O2(或氧化剂)12Fe2(OH)n(SO4)3一5（4-7）mFe2（0H）n （ S。4）3-11，2-F e 2（0H） n （SO4） 3-n/21m(2)碱化度碱化度又称盐基度，表达羟基在物质分子中所占的比例，它是关系到产品稳定性和混凝性能的 重要技术指标。碱化度测定一

17、股采用酸碱中和滴定，这样核心问题便是如何掩蔽Fe3氟化物可 与Fe+生成稳定性很好的六氟合铁络合物沉淀,氟化钾是最合适的掩蔽剂。碱化度的计算:（匕一防 C X 0.017 1 xx 100%17c （匕）- QC氏x 100%式中C标准NaOH溶液浓度，mol/LVo,V空白实验和水样实验标准Na OH溶液的体积，mLC,c聚铁溶液含铁量,g/L.仪器与药品(1 )重要仪器可调速搅拌器、三口烧瓶250mL、电炉、带柄铁锅、铁架台(2)重要试剂硫酸亚铁(C.P.)、浓硫酸(C. P. )、30%H2O2(C.R), KCIOs (C. P.)、盐酸标准溶液(0.1017 mol/L) NaOH标

18、准溶液(0.0 9778mol / L )、酚猷指示剂(10g/L)、K2G2O7标准溶液(0.025 mol/L),氟化钾溶液(5 00 g液)2 .实验环节(1)聚合硫酸铁的制备称取50g F e SO7H2O置于烧瓶中，力口入25mL水。按照H2s0小=0.4的比例量取H2SO -即3.9mL,现取3. 9mL，加入烧瓶中。控制水浴反映温度为5060。取理论反映量的H2O2,现取10.2mL和理论量2 0%的N a CIO-现取0 . 74g。快速搅拌混合溶液(8001 6 0 Or/mi n )，同时，每隔5min加一次H2O2,在4 0m i n内加完。 最后将KC1O：，.间隔5m

19、in分三次加完。加完后，再搅拌1 5 m i n。氧化反映完后，溶液完全变为红棕色。用滴管取少量溶液观测，其中应无明显的二价铁离子 的颜色，否则，继续加入H2O2/KCIO3。计量好所制得产品的体积，以便拟定总铁含量。此外,注意保存好余下样品，留待测定其混凝性 能。(2)产物聚合硫酸铁中Fe2+检测移液管量取1 mL聚铁溶液，放入250mL锥形瓶中，稀释至30mL,加入2mL硫磷混酸，冷 却后加入5滴二苯胺磺酸钠溶液，用K2O2O7标准溶液滴定至呈稳定的紫色。(3)碱化度检测用移液管量取1mL聚铁溶液，置于2 50mL锥形瓶中。用移液管准确移入2 5.00mL盐酸溶液,再加入20mL无C O2

20、蒸镭水，摇匀，盖上表面皿，在室温 下放置10m i no加入1 5mL氟化钾溶液,摇匀。再加入5滴酚配，即用NaOH标准溶液滴定至淡红色为终点。用无CO?蒸储水做空白实验，反复以上环节。3 .实验现象与结果实验现象聚合硫酸铁的制备在实验中，称取50g FeSO.-7H,O置于烧瓶中，加入25mL水后，部分固体溶解，溶液呈绿色。 加入3.9mL硫酸，控制水浴温度于5 5c左右，快速搅拌，固体完全溶解。逐次加入30% H?。乙溶液 中冒出气泡，溶液颜色逐渐加深，显红棕色。随着H2O2不断加入及反映的进行，溶液颜色逐渐变深。产物聚合硫酸铁中Fe?+含量检测：滴定期溶液由无色逐渐变成浅绿色，后绿色加深

21、，最后呈紫色，到达滴定终点。产物碱化度检测：滴定期溶液由白色逐渐变成粉红色，到达滴定终点，共用去NaOH标准溶液V=22/5mL；同样 条件下，滴定空白实验样时，所用NaOH溶液体积为V（）= 2 7.22mL。（2）实验结果实验数据记录表1实验数据登记表制备的聚合硫酸铁的体积（V / mL）62. 0 mL产物聚合硫酸铁中Fe2含量检测V WmLV MmL消耗K/CnO：的量（V/mL）0.165.795.6 3产物碱化度检测实验组V WmLV 终/mL消耗NaOH的量（V/mL）0.0 19.409.3 9空白对照组V 初/m LV /mL消耗NaOH的量(Vo/mL)0.0026. 74

22、26.74实验数据解决50.0g56 g/mol62.0xl03LX278g/molI .总铁含量计算:= 162.5g/L总铁含量为厘1=II . Fe?+含量的计算:滴定期共用去0.0 2 5mo 1 /L的LCnO；，标准溶液5.6 3mL ,根据反映过程方程式：6Fe2+ + Cr2O72-+ 1 4H+=6Fe 3+ +2Cr3+7H2O可计算出 n(Fe2+)=6X0.0025mo)/LX5. 63xlO-3L= 0.8 4 4x1 0 -3mol因此原聚铁溶液中的Fe 2+浓度为：c=。阴吗/mol = 47.26g/L IxlOLIII,产率(转化率)AFe% = Sg/CF.

23、%g/Joo% = 70.9% 162.5g/LI V.产物碱化度的计算：到达滴定终点，共用去NaOH (C=0.0976mol/L)标准溶液V=9.39mL；同样条件下，滴定空白实验样时，所用NaOH溶液体积为V0=26. 74 mL。则碱化度许算如下:X = (VO-V) Cx0,017x10()% 1X1O-3CFC17 X 0.0976moML x (26.74mL-9.39mL) 山 162.5g/L=x 100% = 17.8%表2聚合硫酸铁产量与质量指标对照表标准合成产品外观红棕色粘稠液体，无不溶物红褐色液体，放置久有少量棕黄 色不溶物产量62.0 mL产率(转化率)70.9%总铁80g/L162. 5g/L二价铁lg/L4 7. 2 6g/L碱化度818%1 7.8%三、结果与讨论1.实验过程的问题探讨：七水合硫酸亚铁在酸性条件下，被双氧水氧化成硫酸铁，经水解、聚合反映制得红棕色聚合硫酸 铁(PFS)。在制备过程中，氧化、水解、聚合3个反映同时存在于一个体系当中，互相影响，互相促 进。其中氧化反映是3个反映中较慢的一步，控制着整个反映过程。以下根据文献讨论反映的影响因素: