您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 临时分类 > 无机混凝剂的制备实验报告
实验4无机混凝剂的制备1.前言1.1目的与意义聚合硫酸铁(PFS)是2O世纪80年代发展起来的一种新型无机高分子絮凝剂。相比传统的铝系絮凝剂,具有水解速度快、絮凝体密度大、适用pH值范围宽(4~i0)等特点,且成本低、使用方便、无残留,因而广泛用于工业用水、工业废水及城市污水的净化处理【1】。通过制备聚硫酸铁的综合实验,了解混凝剂在水处理中的原理及重要作用,掌握合成无机混凝剂的操作技术,并且学会通过金属含量、碱化度、Zata电位的测定,评价混凝剂的水处理产品稳定性和混凝性能。1.2文献综述与总结絮凝净化法具有适应范围广、工艺简单、处理成本低等特点,目前广泛应用于饮用水、生活污水和工业废水的处理中。聚合硫酸铁PFS是20世纪80年代出现的一种新型无机高分子絮凝剂具有水解速度快、絮凝体密度大、适用pH范围宽等特点具有很强的中和悬浮颗粒上电荷的能力,有很大的比表面积和很强的吸附能力,能很好地去除水中悬浮物、有机物、硫化物、重金属离子等杂质。具有脱色、除臭、破乳化及污泥脱水等功能,因而被广泛应用于矿山印染、造纸等工业废水处理。相比传统的铝系絮凝剂而言PFS在反应过程中无离子水相转移和残留积累使用更方便、价格更便宜、用量更省【2】。直接氧化法虽然工艺简单、操作简便,但存在氧化剂用量大、成本高、氧化剂引入的离子需分离除去、反应中产生的有害气体需专门设备吸收处理等问题。因而难于在工业化生产中普及和应用,但试验研究中需要少量聚合硫酸铁时,采用此类方法制备简便易行【1】。2.实验部分2.1实验原理硫酸铁聚合过程及其复杂,一般认为聚合过程分为三个大步骤。①氧化过程即二价铁在氧化剂作用下被氧化为三价铁,这是聚合过程中比较复杂的一步,目前采取的氧化剂种类很多,显然采取不同的氧化剂对氧化过程的影响是不一样的,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看法。以氧化剂H2O2为例,其反应过程如下所示:4FeSO4+H2O2+2H2SO4==2Fe2(SO4)3+3H2O(4-1)②水解过程水解是三价铁离子和氢氧根离子相互结合的过程,这是极其重要的一步,其重要概念是盐基度,盐基度B=[OH-]/(3[Fe3+]),OH-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,水解反应过程如下所示:Fe3++OH-==Fe(OH)2+(4-2)Fe(OH)2++OH-==Fe(OH)2+(4-3)Fe(OH)2++OH-==Fe(OH)3(4-4)(4-2)、(4-3)两式对盐基度B是有贡献的,但式(4-4)须加以抑制,由于氢氧化铁溶度积非常小,[Fe3+]×[OH-]3==4×10-38(20℃),在溶液中很容易沉淀,在水解过程中应当限制该反应的发生。③聚合过程聚合过程的化学方程式如下:mFe2(OH)n(SO4)3-n/2→[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m式中,m表示聚合度的大小,聚合度m在反应过程中是逐渐增加的,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应方程式如下:4FeSO4+(2-n)H2SO4+(2n-2)H2O+O2(或氧化剂)→2Fe2(OH)n(SO4)3-n/2mFe2(OH)n(SO4)3-n/2→[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m(2)碱化度碱化度又称为盐基度,它表示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。碱化度测定一般采用酸碱中和滴定,这样核心问题便是如何掩蔽Fe3+。氟化物可与Fe3+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:X=[(V0-V)C×0.017/(1×10-3CFe)]×100%=[17C(V0-V)/CFe]×100%式中C——标准氢氧化钠溶液浓度,mol/LV0,V——空白试验和水样试验标准氢氧化钠溶液的体积,mlCFe——聚铁溶液含铁量2.2仪器与试剂2.2.1主要仪器可调速搅拌器、三口烧瓶250ml、可调速搅拌器、三口烧瓶、锥形瓶、烧杯、恒温槽、酸式滴定管、碱式滴定管、胶头滴管、量筒、移液管2.2.2主要试剂七水硫酸亚铁FeSO4•7H2O、硫酸、过氧化氢H2O2(30%)、氯酸钠NaClO3、酚酞指示剂,重铬酸钾标准溶液0.025mol/L、盐酸溶液:0.1011mol/L、NaOH溶液0.0978mol/L,硫磷混酸15%、二苯胺磺酸钠2g/L、氟化钾2.3实验步骤2.3.1产品制备称取50g置于烧瓶中,加入25mL去离子水,按照硫酸与亚铁盐摩尔比例为0.4,实取硫酸3.4ml,然后加入烧瓶中。控制水浴反应温度为50—60°C,取理论反应量的过氧化氢9.2ml和理论量20%的氯酸钾0.74g,快速搅拌混合溶液(800rpm),同时,每隔5min加一次过氧化氢,在1—1.5h内加完。最后将氯酸钠分三次加完,再搅拌15min。氧化反应完后,溶液完全变为红棕色。用滴管取少量溶液观察,其中应无明显的二价铁离子的颜色,否则,继续加入过氧化氢或氯酸钠。样品分析时,二价铁的转化率应达95%以上。2.3.2产物中Fe2+的检测取5mL聚铁溶液,放入250mL锥形瓶中,稀释至100mL,加入10mL硫磷混酸,冷却后加入5滴二苯胺磺酸钠溶液,用重络酸钾标准溶液滴定至呈稳定的紫色。2.3.3碱化度检测用移液管量取1mL聚铁溶液,置于250mL锥形瓶中,用移液管准确移入25.00mL盐酸溶液,再加入20mL去离子水,摇匀,盖上表面皿,在室温下放置10分钟。加入10mL氟化钾溶液,摇匀。再加入5滴酚酞,立即用氢氧化钠溶液滴定至淡红色为终点。用去离子水做空白实验,重复以上步骤。2.2实验现象与结果实验步骤实验现象产品的制备往装有七水硫酸亚铁的在加入加入25mL水,再加3.4mL的H2SO4有较多未溶解固体,溶液呈浅绿色9.2mL30%H2O2溶液,用胶头滴管每隔5分钟加一次有少量的气泡产生,随着H2O2的加入,硫酸亚铁晶体全部溶解,溶液颜色逐渐加深,开始时有少量浑浊,加过氧化氢至后期变澄清。最后变为红棕色粘稠溶液。把KClO3分三次加入反应体系中,冷却至室温,用量筒测定其体积。溶液性状为红色粘稠状,产物体积为56ml。Fe2+的检测往聚合硫酸铁溶液中加入10ml硫磷混酸溶液变为淡黄色再加入5~8滴二苯胺磺酸钠溶液,用重铬酸钾溶液滴定溶液先变为了浅绿色,滴定终点时溶液变为淡紫色。重铬酸钾溶液体积为3.00mL碱化度检测样品试验加入KF溶液后形成白色浊液;滴定终点是溶液变为浅红色。NaOH体积为18.05mL空白试验滴定终点溶液由无色变为浅红色,且30S不变色。NaOH体积为26.00mLFe2+转化率的计算M(FeSO4·7H2O)=278g/molFe+的物质的量:n=m/M=50g÷(278g/mol)=0.1798mol产品体积:56.0mL总铁浓度:0.1798mol*56g/mol÷56.0mL=179.80g/L亚铁浓度:6Fe2++Cr2O72-+14H+=6Fe3++2Cr3++7H2On(Fe2+)=6n(Cr2O72-)=3.00mL*0.025mol/L*6=0.45*10-3mol[Fe2+]=56g/mol*0.45*10-3mol÷1mL=25.2g/L产率:(179.80g/L-25.2g/L)÷179.80g/L×100%=86.0%碱化度的检测空白样品滴加氢氧化钠标准液体积:26.00mL样品溶液滴加氢氧化钠溶液体积:18.05mLX=×100%=17*0.1mol/L*(26.00mL-18.05mL)÷179.80g/L×100%=7.51%表1聚合硫酸铁产量与质量指标标准合成产品外观红棕色粘稠液体,无不容物红棕色粘稠液体,无不容物产量─56.0mL产率(转化率)─86.0%总铁80g/L179.80g/L二价铁1g/L25.2g/L碱化度(OH/Fe)8~18%7.51%3.结果与讨论1.由表1知合成聚合硫酸铁产品的转化率高,其外观、总铁均符合标准要求2.产品二价铁含量(25.2g/L)超出了标准(1g/L),超标量非常大。由于反应开始时的搅拌速度控制不好,太慢,导致溶液中发生水解产生沉淀,溶液为浑浊状态。产品合成还受硫酸影响,亚铁盐在足量的硫酸中被氧化时会生成铁盐;当亚铁盐的硫酸溶液中硫酸量不足,氧化最终将会发生水解,比例过小,产生的氢氧根易生成氢氧化铁沉淀。4.由表1可知碱化度偏低,可知聚合硫酸铁的聚合度偏低,凝聚效果不够好。用碱滴定测碱化度过程难以做到无CO2反应环境,滴定时间快慢也会影响误17C(V0-V)CFe样品性能指标差的大小,实验可能存在较大误差,由于环境中存在大量CO2滴定终点的浅红色在30s内不变色即可,否则时间长或剧烈震荡都会由于CO2与NaOH反应而浅红色变浅甚至变为无色。5.七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、聚合反应制得红棕色聚合硫酸铁(PFS)。在制备过程中,氧化、水解、聚合3个反应同时存在于一个体系当中,相互影响,相互促进。其中氧化反应是3个反应中较慢的一步,控制着整个反应过程。以下根据文献讨论反应的影响因素:a.硫酸用量的影响硫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。文献显示,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,会导致亚铁离子氧化不完全,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。当硫酸与Fe2+的物质的量之比为0.15~0.30时减少硫酸用量可显著提高产品盐基度,但当该比值小于0.15时,会产生大量的Fe(OH)3凝胶沉淀,最终导致产品铁含量大幅度降低,同时因溶液中存在相对较大[OH-],使测得的产品盐基度偏高,但这并非铁离子高度聚合的反映。文献表明:只有当硫酸与Fe2+的物质的量之比介于0.30~0.45之间时,聚合硫酸铁产品性能最好。b.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加入不足时,Fe2+不能够完全氧化Fe3+,此时溶液中仍然含有较多的Fe2+;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。c.过氧化氢加入速度为了保证氧化反应的进行,必须控制氧化剂加入的速度,在搅拌作用下使物料之间充分接触反应。但若加入速度过慢,反应所需时间过长,对工业生产是不利的。若加入速度过快,氧化剂有可能来不及与物料充分接触反应就被分解。d.反应温度的影响用滴加的方式加入H2O2,由于反应放出大量热,温度对Fe2+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,延长了反应时间,同时Fe2+的转化率稍有降低;在温度较高时,会引起H2O2部分分解,使溶液中含有较多的Fe2+。所以把温度控制在50℃~60℃即可。e.搅拌速度的影响此反应在搅拌作用下,使氧化反应均匀快速进行。搅拌速度小,H2O2没有及时分散,会造成局部氧化及H2O2分解,从而导致Fe2+不能够完全氧化;若搅拌速度大,溶液飞溅,不仅增加能耗且氧化不均匀。PFS的制备受反应温度、氧化剂种类,氧化剂的加入速度和酸度等多种因素的影响,如果条件控制不好,将直接影响产品的性能和质量,其中氧化剂的选择、加入速度以及酸度的控制对其性能的影响尤为显著【4】。6.聚铁制备实验中,一般硫酸与硫酸亚铁的摩尔比控制在0.25-0.45的范围内,此比值或大或小时,可能会出现什么结果?答:小于该范围时,会导致Fe3+水解;大于该范围时,会使得溶液中OH-浓度降低,而生成硫酸铁。7.聚铁制备时要采用很快的搅拌速度,而混凝性能实验时则搅拌速度比较慢,为什么?答:制备时快速搅拌,是为了使得反应充分进行,促进反应;而后搅拌慢,是为了不破坏混凝实验中生成的聚合物,使得实验顺利进行。4.结论在该实验中,所得产品为红褐色黏稠透明液体,产率可达92%以上。因此说用H2O2氧化FeSO4·7H2O生产聚合硫酸铁是较经济的,设备简单。如能找到适当的废酸,成本将会更低,而且用过氧
本文标题:无机混凝剂的制备实验报告
链接地址:https://www.777doc.com/doc-3320850 .html