CN104709992B

CN104709992B - 一种聚磷硫酸铁絮凝剂及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN104709992B
Application number: CN201510136483.2A
Authority: CN
Inventors: 郑怀礼; 蔡娜; 周于皓; 唐晓旻; 陈伟; 赵纯; 邓祥睿
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: WUHAN ZHONGRUN FINE CHEMICALS CO Ltd
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: CN104709992A

Abstract

本发明公开一种聚磷硫酸铁絮凝剂及其制备方法和应用，以钛白粉工业副产物七水硫酸亚铁和废硫酸为主要原料，加入双氧水作为氧化剂，同时添加磷酸二氢钠和碳酸氢钠，在常温常压下经氧化、水解、聚合和陈化步骤制备得；制得的产品中有效成分全铁Fe³⁺质量含量≥11%，盐基度为18~25%，pH1.4~1.6，可广泛用于给水处理和污废水处理，对浊度、化学需氧量和总磷具有很好的去除作用，特别能有效去除水中的可溶性磷和其他形式的磷，对藻类废水中的藻和叶绿素a也有一定的去除效果。本发明聚磷硫酸铁组分简单，稳定性好，为液体产品，可直接投加，使用方便；且制备原料成本低廉，实现了废物利用；制备过程无三废产生，属绿色生产工艺。

Description

一种聚磷硫酸铁絮凝剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于资源利用及环境保护领域，具体涉及一种聚磷硫酸铁絮凝剂及其制备方法和应用。

背景技术

絮凝剂作为一种成本低廉的水污染控制材料而被广泛采用。目前，絮凝剂大致可分为无机、有机和微生物三大类。其中，无机高分子絮凝剂比传统的无机低分子絮凝剂如硫酸铝、氯化铁具有更优异的效能，又比有机高分子絮凝剂成本低，逐渐成为主流絮凝剂，并成功应用于各种水处理工程中。尽管如此，单一无机高分子絮凝剂的相对分子质量、聚合度以及絮凝架桥能力仍比有机高分子絮凝剂差，还存在不稳定、易水解等问题；通过研究发现，复合型无机高分子絮凝剂能克服单一无机高分子絮凝剂的这些不足，在降低水处理成本的同时，可提高絮凝性能。

聚磷硫酸铁就是一种复合型无机高分子絮凝剂，其在聚合硫酸铁的基础上引入磷酸根离子，借助磷酸根的增聚效应，提高了产品的盐基度，使其水解性能得到改善，具有沉降速度快、用量少、除磷效果好、受水温影响小和对pH值适应范围广等优点。

中国专利CN 148698公开了一种利用七水硫酸亚铁、氯酸钠和焦磷酸钠为原料，通过自行设计的合成工艺制备聚合磷硫酸铁絮凝剂的方法，为钛白粉生产的副产物七水硫酸亚铁，提供了新的应用途径，降低了聚合磷硫酸铁絮凝剂的生产成本。但该专利公开的制备过程复杂，反应过程中的升温增加了生产成本；且针对不同的氧化剂，不同的投加量及投加方式会对Fe³⁺的转化率、稳定性和絮凝效果产生很大影响，而该专利并未说明针对不同的氧化剂，采取何种具体的制备方法，存在着一定的缺陷。

中国专利CN 101805051A公开了一种复合聚磷硫酸铁絮凝剂及其生产方法，利用钛白粉的副产物硫酸亚铁为原料，以氯酸钠为氧化剂制备聚磷硫酸铁。虽然该发明变废为宝，使废硫酸亚铁得到利用；但是采用该方法制得的聚磷硫酸铁产品中会含有少量的氯酸盐等物质，残存的各种离子会影响产品的质量，因此并不适宜于水处理应用；不仅如此，该发明为了提高氧化效率，反应中投加的稍过量氯酸钠会发生副反应而生成氯气，逸出反应体系的氯气会造成环境污染，因此需添加尾气吸收装置，对氯气进行处理，生产成本会因此提高。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种聚磷硫酸铁絮凝剂的制备方法，该方法工艺简单、生产时间短。

本发明的另一个目的是提供采用上述方法制得的聚磷硫酸铁絮凝剂，该絮凝剂性能稳定、水处理效果好。

本发明的又一个目的是提供上述聚磷硫酸铁絮凝剂的应用。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种聚磷硫酸铁絮凝剂的制备方法，取钛白粉工业副产物七水硫酸亚铁FeSO_4·7H₂O，以H₂SO₄/Fe摩尔比为0.35~0.45:1，向七水硫酸亚铁FeSO_4·7H₂O中加入工业硫酸H₂SO₄溶液进行酸化，在常温下搅拌溶解；完全溶解后，以H₂O₂/Fe摩尔比为0.7~1:1，缓慢加入双氧水H₂O₂进行氧化；待氧化完全后，以P/Fe摩尔比为0.3~0.4:1，加入磷酸二氢钠NaH₂PO₄搅拌反应；混合均匀后，以碱化度OH/Fe 0.3~0.4加入碳酸氢钠NaHCO₃，调节碱化度，并搅拌反应60~70 min；而后在室温下陈化，即得聚磷硫酸铁絮凝剂。

一种聚磷硫酸铁絮凝剂，采用上述方法制备；该聚磷硫酸铁絮凝剂产品中有效成分全铁Fe³⁺质量含量≥11%，盐基度为18~25%，pH1.4~1.6。

聚磷硫酸铁絮凝剂的应用，将上述聚磷硫酸铁絮凝剂用于水中磷的去除。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明以钛白粉工业副产物七水硫酸亚铁和废硫酸为主要原料，先使用质量浓度为20~30%的硫酸溶液溶解七水硫酸亚铁，并提供酸性环境；再加入一定量质量浓度为30~35%的双氧水作为氧化剂，将二价铁离子氧化为三价铁离子；随后加入磷酸二氢钠，作为配合物参与聚合，借助磷酸根的增聚效应，增强絮凝剂聚合度、絮体沉降速度以及产品稳定性；同时添加碳酸氢钠调节产品的盐基度，并经过陈化处理，总体经氧化、水解、聚合和熟化等步骤，在常温常压下制备得到液体聚磷硫酸铁絮凝剂。

2、本发明制备方法利用双氧水在硫酸酸性环境中对Fe²⁺进行氧化，氧化过程中无需添加催化剂，产品中不会引入杂质，产品稳定性高；且通过精确计量和合理的氧化剂投加方式，使Fe³⁺转化率达到90%，有效提高了氧化效率，反应速度快，节省了制备时间。

3、采用本发明方法制备的聚磷硫酸铁絮凝剂产品具有高活性，活性成分全铁（Fe³ ⁺）含量≥11%；产品稳定性好，储存30d不会发生凝胶或沉淀现象，絮凝效果不会减弱；产品为液体，可根据所需量直接投加到水体中水力混匀即可，使用方便，可用于给水处理和污废水处理。

4、本发明制备产品絮凝效率高、沉降速度快、污泥量少。烧杯实验表明，本发明絮凝剂对于生活污水的TP、COD和浊度具有明显的去除效果，具有意想不到的去除水中的可溶性磷和其他形式的磷的功效；且本发明絮凝剂还具有良好的对地表水源水藻类和叶绿素a的去除效果，去除率可达到95%以上。

5、本发明聚磷硫酸铁絮凝剂絮体粒径大，沉降速度快，有利于减少水处理构筑物的初期建设成本。

6、本发明制备方法工艺流程简单，操作方便，均在常温常压下进行，无需添加热源，反应过程充分利用了原料的溶解热和氧化还原反应的反应热，使得反应温度达到55~80℃，耗能少；且反应过程无废气废渣废液排放，符合安全生产和绿色生产的要求，无需添加污染物处理装置，节约了生产成本，可适用于大规模工业生产。

7、本发明制备方法采用的原料主要为钛白粉工业副产物七水硫酸亚铁和废硫酸，原料来源广泛，成本低廉，为工业废弃物的无害化处理和资源化利用开辟了新途径，实现了以废治废。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，实施例中所用七水硫酸亚铁和硫酸溶液为生产钛白粉的废弃物；其中，七水硫酸亚铁的纯度≥90%，硫酸的质量浓度为20%—30%，磷酸二氢钠的纯度为99%，碳酸氢钠的纯度为99%；其他原料如无特殊说明，即为普通市售。

实施例1：一种聚磷硫酸铁絮凝剂的制备方法：

1）称量55.6 g七水硫酸亚铁置于烧杯中，加入30 mL质量浓度为20%的工业硫酸，常温下在60 r/min的搅拌速度下搅拌10 min，进行酸化溶解；

2）待步骤1）溶解完成后，在继续搅拌下以1 mL/min的速度加入14 mL质量浓度为30%的双氧水，进行充分氧化，导入细管插至烧杯底部，加入完成后继续搅拌10 min，形成均匀红棕色液体；

3）称取磷酸二氢钠9.36 g，以缓慢速度加入到步骤2）所制得液体中，搅拌溶解并聚合20 min，继续搅拌；

4）待溶液3）搅拌均匀后，在搅拌条件下加入NaHCO₃固体5.04 g，加入速度1 g/min；

5）步骤4）完成后，继续在60 r/min的搅拌速度下搅拌60 min；

6）步骤5）完成后，取出，在常温下静置一天，即可得产品聚磷硫酸铁絮凝剂1。

对制得的聚磷硫酸铁絮凝剂1进行检测，经检测，制得的产品外观为粘稠的深红棕色液体；密度：1.42 g/ml；全铁（Fe³⁺）质量浓度：11.3%；盐基度18.3%。

在含磷浓度为3.7—4.8 mg/L的生物处理工艺二级出水中，以30—40 mg/L的投加量，投加制得的聚磷硫酸铁絮凝剂1，搅拌时间为10 min，检测处理后的水；结果显示，出水中残留含磷量（TP）降至0.5 mg/L以下，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A排放标准限值（TP≤0.5mg/L），证明制得的聚磷硫酸铁絮凝剂对水中的磷具有良好的去除效果。

实施例2：一种聚磷硫酸铁絮凝剂的制备方法：

1）称量55.6 g七水硫酸亚铁置于烧杯中，加入27 mL质量浓度为25%的工业硫酸，常温下在65 r/min的搅拌速度下搅拌15 min，进行酸化溶解；

2）待步骤1）溶解完成后，在继续搅拌下以1.5 mL/min的速度加入12 mL质量浓度为35%的双氧水进行充分氧化，导入细管插至烧杯底部，加入完成后继续搅拌15 min，形成均匀红棕色液体；

3）称取磷酸二氢钠9.36 g，以缓慢速度加入到步骤2）所制得液体中，搅拌溶解并聚合25 min，继续搅拌；

4）待溶液3）搅拌均匀后，在搅拌条件下加入NaHCO₃固体5.04 g，加入速度1.5 g/min；

5）步骤4）完成后，继续以65 r/min搅拌65 min；

6）步骤5）完成后，取出，常温下静置一天，即可得产品聚磷硫酸铁絮凝剂2。

对制得的聚磷硫酸铁絮凝剂2进行检测，经测定，制得的聚磷硫酸铁絮凝剂2为粘稠的深棕色液体，易溶于水；密度：1.36 g/ml；全铁（Fe³⁺）质量浓度：11.6%；盐基度：21%。

实施例3：一种聚磷硫酸铁絮凝剂的制备方法：

1）称量55.6 g七水硫酸亚铁置于烧杯中，加入22 mL质量浓度为30%的工业硫酸，常温下在70 r/min搅拌速度下搅拌20 min，进行酸化溶解；

2）待步骤1）溶解完成后，在继续搅拌下以1 mL/min的速度加入20 mL质量浓度为30%的双氧水进行充分氧化，导入细管插至烧杯底部，加入完成后继续搅拌10 min，形成均匀红棕色液体；

5）步骤4）完成后，继续以70 r/min搅拌60 min；

6）步骤5）完成后，取出，常温下静置一天，即可得产品聚磷硫酸铁絮凝剂3。

对制得的聚磷硫酸铁絮凝剂3进行检测，经测定，聚磷硫酸铁絮凝剂3外观为粘稠的0深棕色液体，易溶于水；密度：1.42 g/ml；全铁（Fe³⁺）质量浓度：12.1%；盐基度：23%。

性能测试：

将上述实施例1—3制备的聚磷硫酸铁絮凝剂1~3用于生活污水处理，测试其对生活污水的浊度去除率、COD去除率和TP去除率：其中，浊度采用哈希浊度仪，COD采用重铬酸钾法，TP采用钼酸铵分光光度法。

取8份500 mL生活污水（生活污水pH=7.18—8.23，浊度78—140 NTU，COD153—339mg/L，TP2.97—7.21 mg/L）分别置于500 mL的烧杯中，分别以投加量40 mg/L和60 mg/L的方式，投加上述制得的聚磷硫酸铁絮凝剂1~3和市售聚合硫酸铁，向每个烧杯中投加不同的混凝剂，先在六联搅拌机上以300 r/min快速搅拌1 min，接着以150 r/min中速搅拌3 min，再以40 r/min慢速搅拌5 min。沉降10 min后，取上清液检测浊度、COD和TP浓度，测试结果如下表1所示：

表1聚磷硫酸铁絮凝剂和市售聚合硫酸铁处理效果比较

由表1可以看出，本发明制备的聚磷硫酸铁絮凝剂采用不同的投加量处理生活污水时，其浊度去除率均已达到90%，COD去除率可以达到70%以上，TP去除率达到90%，处理后出水完全符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）；而且其对生活污水的浊度、COD和TP的去除率高于市售聚合硫酸铁，具有意想不到的去除水中的可溶性磷和其他形式的磷的能力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1. 一种聚磷硫酸铁絮凝剂的制备方法，其特征在于，取钛白粉工业副产物七水硫酸亚铁FeSO_4·7H₂O，以H₂SO₄/Fe摩尔比为0.35~0.45:1，向七水硫酸亚铁FeSO_4·7H₂O中加入质量浓度20~30%的工业硫酸H₂SO₄溶液进行酸化，在常温下搅拌溶解；完全溶解后，以H₂O₂/Fe摩尔比为0.7~1:1，缓慢加入双氧水H₂O₂进行氧化；待氧化完全后，以P/Fe摩尔比为0.3~0.4:1，加入磷酸二氢钠NaH₂PO₄搅拌反应；混合均匀后，以碱化度OH/Fe 0.3~0.4加入碳酸氢钠NaHCO₃，调节碱化度，并搅拌反应60~70 min；而后在室温下陈化，即得聚磷硫酸铁絮凝剂，具体包括如下步骤：

1）按照H₂SO₄/Fe摩尔比为0.35~0.45:1，称取钛白粉工业副产物七水硫酸亚铁FeSO_4·7H₂O置于烧杯中，并加入工业硫酸H₂SO₄溶液，常温下以60~70 r/min搅拌10~20 min，进行酸化溶解；

2）待步骤1）溶解完成后，在搅拌的条件下，按照H₂O₂/Fe摩尔比为0.7~1:1，以1~1.5 mL/min的速度加入双氧水H₂O₂进行充分氧化，导入细管插至烧杯底部，加入完成后，继续搅拌10~15 min，形成均匀的液体；所述双氧水H₂O₂的质量浓度为30~35%；

3）按照P/Fe摩尔比为0.3~0.4:1，称取磷酸二氢钠NaH₂PO₄，缓慢加入到步骤2）制得的均匀液体中，搅拌溶解并聚合20~25 min，继续搅拌；

4）待步骤3）搅拌均匀后，在搅拌的条件下，以碱化度0.3~0.4加入碳酸氢钠；其中加入速度为1~1.5 g/min；

5）待步骤4）加入完全后，继续以60~70 r/min搅拌反应60~65 min；

6）步骤5）反应完全后，在常温下陈化24 h，即得聚磷硫酸铁絮凝剂。

2.根据权利要求1所述聚磷硫酸铁絮凝剂的制备方法，其特征在于，所述七水硫酸亚铁FeSO_4·7H₂O的纯度≥90%。

3.一种聚磷硫酸铁絮凝剂，其特征在于，采用权利要求1~2任一所述方法制备；该聚磷硫酸铁絮凝剂产品中有效成分全铁Fe³⁺质量含量≥11%，盐基度为18~25%，pH1.4~1.6。

4. 聚磷硫酸铁絮凝剂的应用，其特征在于，将权利要求3所述聚磷硫酸铁絮凝剂用于水中磷的去除，具体应用时以30~40 mg/L的投加量投加所述聚磷硫酸铁絮凝剂，并搅拌处理10 min。