氯化鐵廢液水熱法制備聚合氯化鐵的實(shí)驗(yàn)研究

孔德順,王魯鳳,蔣榮立

(1.六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221016；3.貴州省煤炭潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 六盤水 553004)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，產(chǎn)生的污水越來越多，污水處理的藥劑有許多種，其中聚合氯化鐵(PFC)是一種適用范圍較廣的混凝劑，在用于水處理時(shí)，具有礬花較大、沉降速度快、受水溫的影響較小、無潛在毒性等優(yōu)點(diǎn)[1]，可以有效地實(shí)現(xiàn)各種廢水的處理。

PFC的制備方法常見的有中和法、膠凝法、加熱法等，上述方法均存在操作復(fù)雜、反應(yīng)條件不易控制等不足。本實(shí)驗(yàn)以主要成分為FeCl3的高鐵煤矸石酸浸液為原料，采用水熱法制備了PFC。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與藥品

儀器：FTIR-6700型傅立葉變換紅外光譜儀、WGZ-1A型濁度計(jì)、pHS-2C型酸度計(jì)等。

藥品：六水氯化鐵、碳酸鈉等(均為分析純)。原料：氯化鐵廢液、高嶺土(2.7μm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 PFC的制備

取一定濃度和體積的氯化鐵廢液于錐形瓶中，調(diào)節(jié)其pH后，在一定溫度下恒溫一定時(shí)間后取出，靜置老化后即得PFC。具體的工藝流程如圖1所示。

圖1 PFC制備的工藝流程圖

1.2.2 產(chǎn)物去濁性能的測定

向800mL自來水中加入3.0000g高嶺土，充分?jǐn)嚢韬蠹吹媚M廢水。向其中加入所制備的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的聚合氯化鐵溶液2.0mL，以1000r·min-1攪拌3min后，再以60r·min-1攪拌10min，沉降0.5h后，測上清液濁度，按式(1)計(jì)算去濁率[2]，用去濁率的大小來表征產(chǎn)物性能的優(yōu)劣。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3+濃度對去濁性能的影響

固定聚合溫度為55℃，聚合時(shí)間為3h，室溫熟化時(shí)間為24h，pH=0.9，改變Fe3+的濃度分別為0.30mol·L-1、0.40mol·L-1、0.50mol·L-1、0.60mol·L-1、0.70mol·L-1，制備結(jié)束后測定產(chǎn)物的去濁性能，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著Fe3+濃度增大，去濁率先增大后減小，F(xiàn)e3+濃度為0.5 mol·L-1時(shí)達(dá)到最大值；再繼續(xù)增大Fe3+的濃度，去濁率減小。這是由于適宜的濃度有利于聚合反應(yīng)的進(jìn)行，濃度太低不利于聚合氯化鐵形成長鏈的高分子產(chǎn)物，濃度太高則聚合不完全。由此確定鐵離子濃度為0.50mol·L-1。

圖2 Fe3+濃度對去濁率的影響

2.2 pH對去濁性能的影響

固定聚合溫度為55℃，聚合時(shí)間為3h，室溫熟化時(shí)間為 24h，F(xiàn)e3+濃度為 0.5 mol·L-1，改變體系的 pH 分別為 0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著pH的增大，去濁率先增大后減小。這是由于在較低的pH條件下，雖然體系不容易產(chǎn)生沉淀，但是體系中Fe3+的水解受到抑制，不利于鐵離子的聚合；隨著體系pH增高，溶液體系的顏色逐漸加深，此時(shí)較高的pH有利于產(chǎn)物的聚合，繼續(xù)升高pH，則體系在加熱的過程中會(huì)逐漸出現(xiàn)FeOOH、Fe(OH)3等沉淀。由于Fe(OH)3的Ksp較小，不宜在pH較高的條件下反應(yīng)，所以確定反應(yīng)體系的pH為1.0。

圖3 pH對去濁率的影響

2.3 聚合時(shí)間對去濁性能的影響

固定聚合溫度為55℃，聚合時(shí)間為3h，室溫熟化時(shí)間為 24h，pH=1.0，聚合時(shí)間分別為 1h、2h、3h、4h、5h進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著聚合時(shí)間延長，產(chǎn)物的聚合度逐漸增大，去濁率先增大后減小，產(chǎn)物的去濁性能逐漸增加。隨著聚合時(shí)間的延長，產(chǎn)物的聚合度過大，則不適用于水處理。這是因?yàn)楫a(chǎn)物的聚合度影響其電中和、架橋等性能，反應(yīng)時(shí)間太長不利于產(chǎn)物去濁性能的提高，因此確定聚合時(shí)間為3h。

圖4 聚合時(shí)間對去濁率的影響

2.4 聚合溫度對去濁性能的影響

固定Fe3+濃度為0.5 mol·L-1，聚合時(shí)間為3h，室溫熟化時(shí)間為24h，pH=1.0，聚合溫度分別為35℃、45℃、55℃、65℃、75℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖 5所示。由圖5可知，聚合溫度超過45℃后，溫度越高產(chǎn)物的去濁性能越差，過高的溫度使得Fe(Ⅲ) 的水解-聚合會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為FeOOH、Fe(OH)3等沉淀，從而失去混凝性能[3]。因此確定聚合溫度為45℃。

圖5 聚合溫度對去濁率的影響

2.5 熟化時(shí)間對去濁性能的影響

固定聚合溫度為55℃，F(xiàn)e3+濃度為0.5mol·L-1，聚合時(shí)間為 3h， pH=0.9，熟化時(shí)間分別為 0h、6h、12h、18h、24h進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，熟化結(jié)束后測定產(chǎn)物的去濁率，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，延長熟化時(shí)間，去濁率增大。這是因?yàn)閯偵傻木酆衔锊环€(wěn)定，隨著熟化的進(jìn)行，聚合物逐步轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的形態(tài)，從圖6可以看出，老化18h以后，PFC產(chǎn)物的去濁性能趨于穩(wěn)定，所以確定熟化時(shí)間為18h。

圖6 熟化時(shí)間對去濁率的影響

2.6 產(chǎn)物的IR光譜分析

取上述優(yōu)化條件下制備的液體產(chǎn)物，70℃蒸干后進(jìn)行IR分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，產(chǎn)物在 621cm-1、751cm-1、1635cm-1、3362cm-1處均有明顯的吸收峰。由于Fe3+水解共聚物主要是通過羥基鍵合形成的，樣品在621cm-1處的吸收峰，為疊加在水分子吸收峰上的Fe-OH彎曲振動(dòng)，751cm-1處附近的吸收峰是Fe-O-Fe彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的，1635cm-1處的吸收峰是H2O分子的彎曲振動(dòng)，3362cm-1處是產(chǎn)物中與鐵離子相連的羥基及樣品內(nèi)所吸附的水分子和配位水分子中的羥基伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰，1112cm-1處附近的吸收峰為Fe-OH-Fe伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的[4-5]，表明樣品中有以羥基橋聯(lián)的鐵聚合物，說明鐵離子發(fā)生了一定程度的聚合。

圖7 合成產(chǎn)物的IR譜圖

2.7 反應(yīng)機(jī)理分析

Fe3+具有較大的離子勢，容易發(fā)生水解反應(yīng)，F(xiàn)e3+作為配離子[Fe(OH)2]+的中心體，對配體OH-具有強(qiáng)烈的吸引力，若體系的pH較高，會(huì)使[Fe(OH)2]+進(jìn)一步反應(yīng)，生成羥基氧化鐵(FeOOH)和Fe(OOH)3沉淀，造成鐵源的損失。所以，在適宜的pH下，[Fe(OH)2]+之間會(huì)發(fā)生共聚合反應(yīng)，形成以羥基橋聯(lián)的鐵共聚物，逐步發(fā)生式(2)～式(5)的反應(yīng)[6]：

鐵離子逐步水解和聚合，形成了高分子產(chǎn)物PFC。由上述反應(yīng)式可知，PFC為聚合度不同的復(fù)雜混合物。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)，獲得了水熱條件下氯化鐵廢液制備聚合氯化鐵的優(yōu)化條件，所得產(chǎn)物為無定形態(tài)的PFC。該法簡便易行，利于廢物利用。