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1、 论文题目:聚合硫酸铁的制备及混凝性能测试 课程名称:大学化学实验()综合实验 学 院: 专 业: 年 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师:谢燕 贵州大学化学化工教学实验中心 2013 年 12 月 15 日目录摘要2关键词21、 引言22、 实验目的及原理33、 实验仪器与试剂44、 实验步骤(包括实验流程图)55、 实验结果与讨论76、 实验结论10参考文献10 聚合硫酸铁的制备及混凝性能测试摘要:絮凝剂是目前污水治理中应用最为广泛的一种药剂,絮凝过程是污水处理工艺中不可缺少的关键环节。按其化学成分可分为:无机盐类絮凝剂、有机高分子絮凝剂和微生物絮凝剂。用户可以依据废水性质不同进行合理选
2、择。絮凝剂在废水处理中的应用有效的提升了污水处理速率,使废水处理效果显著。目前,该药剂在各行业废水处理中应用较为广泛,确保经大型污水处理设备处理后的水质能够符合国家规定排放标准,有效防止了水污染现状的恶化,确保生态环境可持续发展。絮凝剂与废水处理设备相结合,使废水处理效果更加,有效解决了废水处理难题。但有机高分子絮凝剂价格昂贵,且残存单体或分解产物可能有毒,目前普遍使用的铝盐絮凝剂存在铝毒及余铝后沉淀、低温除浊能力低等问题。聚合铁盐絮凝剂(PFS)以其产生的矾花大、絮体密实、沉降快、适用pH范围广、耗量少、效果好、无毒、价格便宜等优点,倍受水处理界的青睐,已成为近年来水处理剂研究中的重点和热点
3、。聚合硫酸铁是一种多羟基、多核结合体的阳离子型无机高分子絮凝剂, 它可以与水以任意比例快速混合,它比一般的无机混合凝剂有较大的分子量,用作水处理剂时,具有较强的吸附、絮桥、凝聚沉淀性能,且絮凝体形成大而快,絮体不易破碎,重凝性能好,沉淀后的水过滤快,净水PH值范围宽等优点。以下就无机高分子絮凝剂聚合硫酸铁的制备及其混凝性能测试实验,研究聚合硫酸铁的制备方法及其主要物理参数的测定,为其实验室制备提供一定的理论基础。关键词:无机高分子絮凝剂 聚合硫酸铁 混凝性能 1、 引言: 絮凝剂种类有200300种。按化学成分分为无机和有机两大类。有机絮凝剂品种很多,均为巨大的线性高分子,但因其可能的毒性在水
4、处理中用得较少;无机混凝剂品种较少,但在水处理中用得很多,目前以铁盐和铝盐及其水解聚合物为主,包括传统低分子混凝剂和无机高分子混凝剂(又称第二代无机混凝剂)。由于铁盐类混凝剂易腐蚀设备,因而铝盐类混凝剂应用较广。无机高分子絮凝剂(IPF)是20世纪60年代以来发展起来的又一类新型水处理药剂。它比传统絮凝剂性能更优异,又比有机高分子絮凝剂(OPF)价格低廉,尤其在当前水源污染日趋加剧的情况下,IPF发挥了重要作用,因而被称为第二代无机絮凝剂。目前IPF的生产和应用在全世界都得到了迅速发展,已成为主流絮凝剂。絮凝达到高效能的关键在于投加性能优良的絮凝剂。由于有机合成高分子絮凝剂存在毒性及价格昂贵等
5、原因,其在国内的应用受到一定限制。无机高分子絮凝剂(IPF)是六十年代以来在传统的铝盐、铁盐混凝剂基础上发展起来的一类新型水处理药剂.它主要可分为五种,即:阳离子型的聚合氯化铝(PAC)或称碱式氯化铝(BAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合硫酸铁(PFS)、聚合氯化铁(PFc)、以及阴离子型的聚合硅酸或称活化硅酸(AS)。此外,尚有若千复合而成的品种例如铁铝复合剂等也在发展中。无机絮凝剂有时称无机混凝剂。由无机组分组成的絮凝剂,絮凝剂主要是增加混凝固体的碰撞,使其水解产物附聚、架桥絮凝形成可沉降的或可过滤的絮凝物。在给水废水处理中常用的有铝盐、铁盐和氯化钙等,如硫酸铝钾(明矾)、氯化铝、硫酸铁、
6、氯化铁; 还有无机高分子絮凝剂,如聚合氯化铝、聚合硫酸铝、活性硅土等。由于这类药剂具有高效、适应性强、无毒、价廉等优点在各种污水和废水的处理中得到了广泛的应用。目前,世界上在日本、西欧、苏联和中国都有正规生产,尤其在日本,聚合铝的用量巳经超过传统的硫酸铝。纵观絮凝剂的现状可以看出,絮凝剂的品种繁多,从低分子到高分子,从单一型到复合型,总的趋势是向廉价实用、无毒高效的方向发展。无机絮凝剂价格便宜,但对人类健康和生态环境会产生不利影响;有机高分子絮凝剂虽然用量少,浮渣产量少,絮凝能力强,絮体容易分离,除油及除悬浮物效果好,但这类高聚物的残余单体具有“三致”效应(致崎、致癌、致突变),因而使其应用范
7、围受到限制;微生物絮凝剂因不存在二次污染,使用方便,应用前景诱人。微生物絮凝剂将可能在未来取代或部分取代传统的无机高分子和合成有机高分子絮凝剂。微生物絮凝剂的研制和应用方兴未艾,其特性和优势为水处理技术的发展展示了一个广阔的前景。 聚合硫酸铁(PFS)也称碱式硫酸铁或羟基硫酸铁,其分子式一般可表示为Fe2(OH)n(SO4)3-n/2m。它是硫酸铁在水解、絮凝过程中的一个中间产物。液体聚合硫酸铁本身含有大量的聚合阳离子,如Fe3(OH)45+、Fe6(OH)126+、Fe4O(OH)46+等。其在水溶液中存在着Fe(H2O)63+、Fe2(H2O)33+、Fe(H2O)23+等络合阳离子。它们
8、以羟基(-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,相对分子量可高达1105。由于上述络离子的存在,它能够强烈地吸附胶体微粒,通过粘附、架桥、交联作用,促使微粒凝聚。同时伴随的一系列的物理、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,使胶体粒子由原来的相互排斥变为相互吸引,从而破坏了胶团的稳定性,促使胶团微粒相互碰撞,形成絮状沉淀。这种絮状沉淀表面积很大,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。 聚合硫酸铁同传统的无机盐类混凝剂相比,有以下优点:(1)絮粒(絮凝体)形成速度快,颗粒密实
9、,比重大,沉降速度快。(2)对于各种废水中的COD、BOD、色度及重金属均有良好的去除效果。(3)絮粒(絮凝体)同微生物的结合能力强,因而对浮游生物等微生物有良好的去除效果。(4)在应用过程中,原水水温及pH值适应范围较广。(5)能降低出水中亚硝氮及铁的含量。(6)对污泥有较好的脱水性。(7)合成原料广泛,产品价格低。 因此,PFS可用于工业废水、城市污水、工业用水以及生活、饮用水的处理。此外,由于铝系絮凝剂及聚丙烯酰胺等有机物单体存在毒性问题,使得聚合硫酸铁在水处理工业中的应用范围不断扩大,日益受到企业界和学术界的重视。尽管目前世界上已能生产固、液两种聚合硫酸铁产品。但是如何低成本、低能耗地
10、制备高质量、高稳定性的聚合硫酸铁仍是絮凝剂研究领域的热点;其制备方法的研究倍受学术界和企业界的关注。另外我国是水资源短缺和污染严重的国家之一。随着我国经济的发展,社会的进步以及人民生活水平的不断提高,人们对环境污染治理日益重视,对环境的要求也越来越高。我国水污染状况十分严重,已成为经济与社会发展的制约因素。水污染治理已成为刻不容缓的首要问题。水资源的再生利用对现实社会具有深远意义。混凝过程是给水和废水处理众多工艺流程中不可缺少的前置单元操作技术,而絮凝剂又是决定絮凝效果的关键因素之一,它的研制与开发成为各国环境工作者的重要科研内容。 随着我国工业的迅速发展,水用量不断增加,地下水的开采已远远不
11、能满足要求,因此地表水和污水处理利用日益重要,污水处理剂用量也日益增加。因为水中含有的腐植质、纤维质、浮尘及藻类杂质与水形成溶胶状态的胶体颗粒,具有沉降稳定性和聚合稳定性,需要添加一定的絮凝剂破坏凝胶颗粒的稳定性。2、 实验目的及原理(1) 、实验目的: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。2、 熟练称量、溶解、加热、抽滤、蒸发、结晶等基本操作。3、 正确使用粘度计、浊度计,学会无机聚合物密度、粘度、浊度的测定方法,熟练酸度计的使用。4、 提高资料查阅和综合性实验报告撰写能力。(2) 、实验原理: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%(
12、重量)的水溶液为红棕色透明溶液,吸湿性。聚合硫酸铁广泛应用于饮用水、工业用水、各种工业废水、城市污水、污泥脱水等的净化处理。其可由铁与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条件下聚合制得。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 =3Fe2(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
13、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。 聚合硫酸铁的分子式:Fe2(OH)n(SO4)3-n/2m中华人民共和国国家标准净水剂聚合硫酸铁(GB14591-
14、2006)项 目指 标GB14591-2006()本产品全铁含量 , % , 18.519.1还原性物质(以 Fe2+计)含量 % , 0.150.01盐基度 , %9.0-14.014.0PH (1% 水溶液)2.0-3.02.4砷(As)含量 , % , 0.00080.0001铅(Pb) 含量 , % , 0.00150.0001不溶物含量 , % , 0.50.4三、实验仪器与试剂(一)、实验试剂NaClO3(固,工业用),FeSO47H2O(固),H2SO4(浓,工业用)。(二)、实验仪器温度计(0-100),酸度计(PHS-3C精密PH计),品氏毛细管黏度计(粘度系数0.02723
15、),电子天平,量筒,磁力搅拌器,浊度仪,秒表,烧杯,吸管,移液管,玻璃棒,钥匙,滤纸,恒温槽等四、实验步骤(一)、聚合硫酸铁的制备 若FeSO47H2O晶体的纯度按100%计算,浓硫酸的密度为1.830g/mL,计算制备30mL聚合硫酸铁(Fe含量为160g/L,(总SO4/总Fe)物质的量比为1.25)所需的FeSO47H2O的量为23.83g,浓硫酸为1.15mL。m(FeSO47H2O)=(160g/L*30mL/56g/mol)*278g/mol=23.83gV(浓硫酸)=160g/L*30mL*(1.25-1)*98g/mol/1.830g/mL=1.148mLm(NaClO3)=(
16、160g/L*30mL/56g/mol)*1/6*106.5/mol=1.52g (1)配制硫酸溶液 向烧杯中加入13.5mL的水,再加入1.20mL浓硫酸,加热至40-50备用。因磁力搅拌器升温较快,温度设定要低一些,大约在35左右,另外控温的热电偶要插在试管中水浴,防止被酸腐蚀。 (2)氧化,聚合 分别称取所需的24.00gFeSO47H2O和1.50gNaClO3,各分成12份,在搅拌下分别将2份FeSO47H2O和2份NaClO3加入到上述的硫酸溶液中,搅拌10min后,继续加入1份FeSO47H2O和一份NaClO3,以后每隔5min加一次,为了使FeSO4充分氧化,最后再多加入1g
17、NaClO3,继续搅拌10-15min,冷却,倒入量筒中,加水至体积为30mL。聚合硫酸铁制备过程中,开始时为黄绿色,反应逐渐进行变为深黄色,到最后又变褐色。(二)、聚合硫酸铁各项指标主要性能指标的测定(1)、密度测定由于制取的聚合硫酸铁的量很少,故无法用比重计测定,可采用密度定义式:=m/v,因此只要称量出所制取的聚合硫酸铁的总质量,又已知其体积为30mL,即可计算出其密度。(2) 、pH值测定用pH计测定聚合硫酸铁的pH值。首先,配制pH=4.00、pH=6.86的pH缓冲液,打开pH计开关预热30min左右,然后进行pH计的校准,分别取已配制好的pH缓冲液,将pH计温度旋钮旋至室温10左
18、右,用pH=6.86的缓冲液校准,调节温度补偿旋钮,使酸度计示数为6.86,将电极清洗干净后,插入pH=4.00的缓冲液中,调节斜率旋钮,使酸度计示数为4.00,这样pH计就校准好了;接下来,就可以测定制备好的聚合硫酸铁的pH值了。(3) 、粘度测定 用已知粘度计常数的品氏毛细管粘度计在20恒温水槽中测定聚合硫酸铁的粘度。(3) 、聚合硫酸铁的混凝效果试验 在1000mL水样中加入20mg/L(以Fe计)聚合硫酸铁,用变速电动同步搅拌机以大速度搅拌3min后,再以较小速度的速度搅拌3min,静止30min后,吸取上层清夜,用光电式浊度计测其浊度。对比水样浊度。(应用水浊度小于5)5、 实验结果
19、与讨论标准样品的主要性能指标指标项目密度/gmL-1(20)总Fe量/gL-1pH值粘度(20)/PaS标准样品1.45以上160以上0.51.00.010.013 1、密度测定 聚合硫酸铁与量筒总质量:m总=88.6946g 量筒质量:m(量筒)=45.1673g 聚合硫酸铁的密度:(聚合硫酸铁)=m(聚合硫酸铁)/v=(m总-m(量筒))/v=(88.6946g-45.1673g) /30mL=43.5273g/30mL=1.45091g/mL。 2、pH测定由pH计示数可读出聚合硫酸铁的pH为0.89。 3、粘度测定(1)、将粘度计用洗液和蒸馏水洗干净,然后烘干备用。 (2)、调节恒温槽
20、至(20.00.1)。 (3)、先取少量待测液将品氏粘度计润洗一下,再用移液管取一定量待测液放入粘度计中,然后把粘度计垂直固定在恒温槽中,恒温5min10min。 (4)、用打气球接于D管并堵塞2管,向管内打气。待液体上升至C球的2/3处,停止打气,打开管口2。利用秒表测定液体流经两刻度间所需的时间。重复同样操作,测定3次,取其平均值。 (5)、将粘度计中的待测液倾入回收瓶中,用热风吹干。再用移液管取10mL蒸馏水放入粘度计中,与前述步聚相同,测定蒸馏水流经m1至m2所需的时间,重复同样操作,要求同前。三次测量时间分别为409S,370S,463S。其平均值为403S。又粘度计常数为0.027
21、23mm2/S2,粘度(PaS)=时间(S)*粘度计常数(m2*S-2)*密度(Kg/m3)=403S*0.02723mm2/S2*1.45091g/mL=0.0159PaS。明显可以看出与标准样品有很大的差距。4、 聚合硫酸铁混凝性能测试 在混凝效果试验中,1000mL水样中需加入1/8mL的制备的原样液才是20mg/L(以Fe计)。(聚合硫酸铁原液中含Fe量为160mg/L)。所需原液样v=1000mL*20mg/L/160mg/L=1/8mL。(加入溶液的体积可忽略不计)。由于1/8mL量很少,无法准确量取,故可以先将原液稀释100倍,即取原液2.5mL,加入250mL容量瓶中,定容到刻
22、度线,摇匀备用。取稀释后的溶液12.5mL加入到1000mL水样中,搅拌、静止30min后,测其浊度。 对于高浊度水样的测定要选用短的测样槽,低浊度的水样选用长的测样槽,并且每次测样前都要用去离子水将仪器较零。 右边为原水样,左边是加入聚合硫酸铁搅拌后的水样 左边为原水样,右边为加入聚合硫酸铁絮凝剂后,搅拌静止30min后的水样 经光电式浑浊度仪测得原水样浊度为74;处理后水样浊度为4.6左右,已经达到饮用水浊度要求以下。6、 实验结论 实验中硫酸用量是决定产品质量的关键。硫酸在聚合硫酸铁的合成过程中有两个作用:作为反应的原料参与了聚合反应;决定体系的酸度,其用量直接影响产品性能。但硫酸用量太
23、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,即溶液中OH-相对较大。 另外,实验中每一个步骤都要特别认真仔细,避免由于个人失误,致使实验重做;同时也可以避免个人失误导致制得的产品等级很低,甚至得不到产品。实验中称量也十分重要,各物质所需要的量也要认真计算,否则一步错步步错。还有,实验仪器的精密度以及操作失误都会导致实验误差。 通过本次大综合实验,我学到了很多。虽然得到的产品并不是很好,但我学会了严谨客观的实验态度、正确的实验方法以及一些简单的实验基本操作。 目前无机高分子絮凝剂 ( I
24、PF) 制备、应用及其絮凝作用机理的研究 ,仍然是絮凝剂研究领域的热点。作为其中具有代表性的聚合硫酸铁 ,具有安全无毒、价格低廉、性能优越等特点 ,在水处理领域中 ,具有取代目前广泛使用的铝系絮凝剂的趋势。 另外,从目前聚合硫酸铁的应用情况来看,它与常用的三氯化铁、硫酸铝、聚合铝等相比有更好的凝聚能力,是目前较为理想的一种混凝剂。且聚合硫酸铁的P H适用范围广,对去除有机质悬浮物、色度等有良好的效果,因此聚合硫酸铁是一种有前途的混凝剂。参考文献1严瑞,水处理剂应用手册M,北京:化学工业出版社,2000。2严瑞,水溶性高分子M,北京:化学工业出版社,1998。3 孙先锋、张志杰,微生物絮凝剂的特
25、性研究及其进展J,环境导报,2001,(2):22-23。4崔霞、肖锦,铝盐絮凝剂及其环境效应J,工业水处理,1998,,18(3):6-9。5郑雅杰,陈白珍,,龚竹青等,硫铁矿烧渣制备聚合硫酸铁新工艺J.,中南工业大学学报,2001,32(2):142-145。6 贺仁星、郑雅杰、龚竹青,絮凝剂聚合硫酸铁的制备与应用J,环境科学与技术,2004、8,27:1461487 郑怀礼、龙腾锐、袁宗宣,聚合硫酸铁制备方法研究及其进展J ,环境污染治理技术与设备,2000、10,,1(5):21288 孙爱平、王九思、刘剑等,无机高分子絮凝剂研究进展J,精细石油化工进展,2008、3,9(3):52559 张令戈、李志东等,无机高分子絮凝剂的应用与研究进展J,电力环境保护,2008、4,24(2):363910 汤鸿霄,无机高分子絮凝剂的基础研究J,环境化学,1990、6,,9(3):11211 陈辅君、李风亭、杜锡蓉,无机混凝剂聚合硫酸铁的制备研究J,山东建筑工程学院学报,1993、8,8(1):616512 曹建新、肖仁贵,大学化学实验(),贵阳:贵州大学出版社,2011、8.11
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