摘要：對用硫鐵礦燒渣制備聚合硫酸鐵進行了研究，考察了影響燒渣酸浸、水解聚合及穩定性的各種因素。中試結果表明，在試驗條件下，可以得到比重為1.58g/mL、濃度為180g/L的棕色粘稠高濃度和高穩定性的液體聚合硫酸鐵產品。用其對造紙廢水處理時，CODcr的去除率可達80%。

引言

聚合硫酸鐵是70年代末發展起來的一種無機高分子混凝劑，其化學式為[Fe₂(OH)_n(SO₄)_3-n/2]_m。因其與硫酸鋁、聚合氯化鋁混凝劑相比，絮凝體大、沉降速度快、pH適應范圍廣，且不產生二次污染等特點，被廣泛應用于工業廢水和自來水原水的混凝處理中。目前，聚合硫酸鐵的生產一般用硫酸亞鐵為原料，在催化氧化的條件下使亞鐵轉化為高價鐵，經水解、聚合得到產品。此方法在催化氧化的過程中，周期長、工藝復雜、產品成本較高，同時還易產生氨氧化物的二次污染。

波濤聚合氯化鋁廠家以硫鐵礦燒渣為原料，經酸溶、水解、聚合得到聚合硫酸鐵。本方法生產周期短、成本低和無二次污染。結果表明，用該方法生產的液體聚合硫酸鐵中試產品穩定性能好；在造紙中段廢水中，具有良好混凝效果。這為硫酸燒渣的綜合利用提供了一條有效的途徑，達到了以廢治廢、變廢為寶的目的。

1、實驗部分

1.1原料及設備

主要原料：硫鐵礦燒渣，含氧化鐵75%、二氧化硅15%；工業硫酸92.5%；助聚穩定添加劑等。

主要設備：10L三頸玻璃燒瓶；0.2m³反應釜；板框壓濾機等。

1.2聚合硫酸鐵的制備

將水、濃硫酸和硫鐵礦燒渣按比例依次加入到反應器中，在加熱攪拌的條件下對燒渣進行酸溶，反應結束后加入助聚劑，在一定的溫度下進行水解聚合，之后固液分離，一步得到聚合硫酸鐵液體產品。

1.3廢水混凝處理實驗

造紙中段廢水的混凝處理在SC958型混凝實驗攪拌機上進行。按一定的比例在100mL的燒杯中依次加入廢水和混凝劑，先以200r/min快速攪拌1min，再以60r/min慢攪10min，然后靜置15min，用取液器量取上清液按標準方法測CODcr。

2、結果與討論

2.1影響鐵溶出率的因素

在制備聚合硫酸鐵的過程中，硫鐵礦燒渣與硫酸反應條件的選擇非常重要，它關系到硫鐵礦燒渣中鐵的溶出率、硫酸的利用率和酸溶反應速度。實驗表明，影響酸溶的主要因素有反應體系的溫度、反應時間、硫酸濃度和液固比。在控制硫酸濃度和液固比為3:（0.5-2）的條件下，鐵的溶出率隨反應溫度和反應時間的變化見表1和表2。

表1溫度對鐵溶出率的影響

表1是在固定硫酸濃度為35-85%和反應時間為4h的條件下，酸溶過程中鐵溶出率與體系溫度的關系。由表1可知，鐵溶出率受體系溫度的影響較大，在50-120℃的溫度范圍內，鐵溶出率隨溫度的升高而增加。當溫度達到120℃左右時，反應速度較快，此時鐵溶出率可高達9%以上。

表2反應時間對鐵溶出率的影響

表2是在固定硫酸濃度和反應溫度為110±5℃的條件下，考察反應時間對鐵溶出率的影響。由表2可知，在酸溶過程中鐵溶出率隨反應時間的延長而增加。在1-4h時間范圍內，鐵溶出率的增加與反應時間幾乎呈線性遞增的關系。在4-5h之間，鐵溶出率增加緩慢。

上述實驗結果表明，在一定的條件下，硫鐵礦燒渣中鐵溶出率隨反應溫度的升高、反應時間的延長而增加。因此，在酸溶過程中應保持較高的溫度，從而使鐵溶出率達到90%左右，當反應進行到4h以后，鐵溶出率的提高不再明顯，故實際生產過程中反應時間以4h計。

2.2水解聚合與穩定性

為了得到聚合硫酸鐵產品，需使經酸溶反應得到的Fe³⁺進行水解、聚合。選擇適宜的助聚添加劑關系到產品的混凝性能、儲存穩定性和市場競爭力。盡管燒堿是較好的助劑，但單純用它使Fe³⁺發生水解、聚合，不僅會使產品成本提高40%，而且還使液體聚合硫酸鐵的儲存穩定性較差，缺乏市場競爭力。這是以往用硫鐵礦燒渣研制聚合鐵鹽混凝劑未能實現產業化的原因。因此，助聚穩定添加劑的選擇是用硫鐵礦燒渣生產聚合硫酸鐵成敗的關鍵因素之一。 另外，在用硫酸亞鐵催化氧化法生產聚合硫酸鐵時，液體產品穩定性問題也未能很好地解決。固體聚合硫酸鐵產品的面世，雖然回避了穩定性這一問題，也給儲運帶來方便，但因增加了能耗、成本，使其在與其它混凝劑的競爭中處于劣勢，影響了其市場占有率。

波濤聚合氯化鋁廠家對幾種無機和有機助聚穩定添加劑如燒堿、磷酸鹽、酒石酸鹽等進行了詳細的研究，考察了它們對產品穩定性和混凝性能的影響，結果表明，使用復合助聚穩定劑，產品的鹽基度B不僅可以在0-15范圍內，根據水處理要求任意調整，穩定儲存期達一年以上，而且在產品成本方面僅增加5%左右，綜合成本在250元噸左右，大大提高了產品的市場競爭力。產品經調整鹽基度后進行抽濾或壓濾，得到比重為1.58g/mL左右，濃度高達180g/L的棕色粘稠高濃度和高穩定性的液體聚合硫酸鐵產品。

2.3聚合硫酸鐵處理造紙中段廢水

2.3.1藥劑投加量對CODcr的影響

廢水混凝處理按1.3所述方法進行。固定體系的pH，改變聚合硫酸鐵（藥劑用量以Fe³⁺計）的投加量。實驗結果見表3。

表3聚合硫酸鐵投加量對CODcr的影響

根據表3知，當聚合硫酸鐵的投加量在50-150mg/L的范圍內變化時，CODcr的去除率隨聚合硫酸鐵濃度的增加而增加，但在100-150mg/L的范圍內，CODcr的去除率變化不太大。與聚合氯化鋁相比，當它們的投加量較小時（50-80mg/L），聚合硫酸鐵的CODcr去除率低10-20%，但在高投加量時，二者的CODcr去除率基本相同，在綜合考慮水處理的效果與成本的情況下，選用聚合硫酸鐵能夠降低水處理費用。

2.3.2pH對聚合硫酸鐵處理廢水的影響

在固定聚合硫酸鐵的投加量在100mg/L不變，改變體系的pH時，考察了CODcr去除率與pH間的關系，結果見表4。

表4 pH變化對中段廢水處理的影響

由表4可知，在pH3-4的范圍內，pH的變化對廢水的處理效果影響甚大，而在pH6-11的范圍內，pH的增加不能顯著地提高聚合硫酸鐵對廢水的混凝處理效果。在pH4-6范圍內，聚合硫酸鐵有較高的CODcr去除率。該結果與聚合鐵鹽較佳混凝效果的pH5-9范圍稍有不同，這可能與廢水中含有少量的木質素有關，在較低pH范圍時木質素易析出而被聚合鐵鹽混凝除去。

另外，當用聚合氯化鋁處理時，在pH6-8的范圍內，CODcr的去除率在80%左右。但在pH＜4.5或＞9的條件下，CODcr的去除率很低，不能產生良好的混凝效果。可見，聚合硫酸鐵比聚合氯化鋁有更寬的pH適應范圍。

3、結論

用硫鐵礦燒渣為原料生產出了高穩定性的液體聚合硫酸鐵，該方法工藝簡單，所得液體產品使用方便、成本低，有很強的市場競爭力。這使以硫鐵礦燒渣生產聚合硫酸鐵的產業化成為現實。采用聚合硫酸鐵作為處理造紙中段廢水的混凝劑時，其對pH的適應范圍廣（pH6-11），在適宜的操作條件下，CODcr的去除率近80%。