CN1097562C - 多功能复合高铁铝絮凝剂的电化学制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合高铁铝絮凝剂的电解制备方法，本发明属于水处理药剂的生产和应用领域。在装有全氟磺酸离子交换膜、铁板或低碳钢阳极、镍板阴极的电化学反应器中，用含铝碱性废液或其稀释液为阳极电解液，35%的NaOH溶液为阴极电解液，用交直流转换稳压电源给阳极和阴极输入电流，最大输出电流30A，最大输出电压15V，并用搅拌器连续进行搅拌，由此制备复合高铁铝絮凝剂。电解液添加剂占电解液重量的0.8%，电解时间为3-8小时。

Description

复合高铁铝絮凝剂的电化学制备方法

本发明涉及一种以铝酸钠碱性废液为原料，利用铁阳极溶出的电化学过程制备高效多功能絮凝剂的方法，具体产品是一种主要含有高铁、铝酸钠和碱的氧化性絮凝剂液体，属于水处理药剂的生产和应用领域。

目前所使用或见诸报道的无机絮凝剂多为具有单一功能的水处理药剂。如聚合铝、硫酸铝、三氯化铝等铝系絮凝剂，聚合铁、三氯化铁等铁系絮凝剂，在水中仅具有凝聚絮凝效能，而不具有氧化和杀菌作用。但随着环境污染的加剧和水体污染的复杂化，迫切需要一种具氧化、絮凝、杀菌和吸附为一体的高效多功能水处理药剂，以满足水质净化的要求。高铁酸盐是铁的六价化合物，具有特殊的综合水处理效能。在水中它是一种强氧化剂，可以氧化去除其中的有机或无机污染物；具有强力快速的杀菌消毒作用，其综合效能优于氯气；高铁或其氧化还原过程中新生成的Fe³⁺是优良的絮凝剂或助凝剂，尤其是对处理微污染的地表水更为有效；同时，它的氧化还原过程产物还具有重要的吸附能力，对水中的污染物去除具有协同效果。将高铁与铝盐进行复合，可进一步强化高铁产品的絮凝作用，提高其综合水处理效能，是一种理想的高效多功能水处理药剂新产品。

美国发明专利US4435257采用电化学方法先制备出含高铁的碱液，后加入KOH沉析并以有机溶剂提纯，最后制备出了纯K₂FeO₄晶体；美国发明专利US4451338采用电化学方法在高铁酸钠的基础上制备出高铁钙产品；美国发明专利US4500499发明了通过Na₂FeO₄制备稳定高铁酸钾固体的方法。但这些方法均是以制备纯K₂FeO₄晶体为目标，操作复杂、成本昂贵，不适合用作水处理药剂的生产和应用。

本发明的目的是对高铁产品的组份和作用性能进行改进，采用电化学原理，提供一种含有铝的、具有强化絮凝功能和水质净化效果的复合高铁净水药剂的合成方法和产品。

本发明以现场制备和使用复合高铁铝絮凝剂液体为目标，采用飞机制造厂废弃的铝酸钠碱液为主要原料，通过膜电解合成技术，制备出了含高铁酸钠、铝酸钠、氢氧化钠和水的复合高铁氧化絮凝剂。在装有全氟磺酸离子交换膜、铁板或低碳钢阳极、镍板阴极的电化学反应器中，用含铝碱性废液或其稀释液为阳极电解液，35％的NaOH溶液为阴极电解液，用交直流转换稳压电源给阳极和阴极输入电流，最大输出电流30A，最大输出电压15V，并用搅拌器连续进行搅拌，由此制备复合高铁铝絮凝剂。电解液添加剂占电解液重量的0.8％，电解时间为3-8小时。图1.复合高铁铝絮凝剂电化学制备装置图。本发明的具体方法如下：

1、电解反应器。电解槽1由厚度为5mm的PVC板焊制，其尺寸为19.4×14.0×10.6cm，包括一个阳极室2和两个阴极室3、4，阳极室在中间，两个阴极室分别在阳极室的两侧，阳极室的尺寸为6.1×14.0×10.6cm，两阴极室的尺寸分别为5.9×14.0×10.6cm。阴阳极室间以离子交换膜9、10分隔，所选用的膜为全氟磺酸离子交换膜，型号为Nafion324复合膜，厚度为0.23mm，由上海有机所生产。在使用前，应对膜进行前处理，方法是用饱和NaOH液浸泡48小时，然后用去离子水淋洗至中性，压平，待凉干后，将其固定在PVC板条框架上，有效离子交换面积为11.3×8.9cm²。阳极5、6采用10.0×7.0cm的低碳钢板或铁板，使用前经酸洗并水淋或用砂纸打磨光亮。阴极7、8采用10.0×7.0cm的镍板。将两阳极板和两阴极板分别平行悬置于隔膜两侧，各电极距膜0.55cm，阳、阴极间距为1.1cm，两阳极和两阴极分别采取并取联方式连接。用电流表11测定电流。电源采用交直流转换稳压电源12，最大输出电流为30A，最大输出电压为15V。通过铜导线13、14分别连接电源的正极和阳极、负极和阴极。为增加溶液传质、减少浓差极化，使用无机变速搅拌器15连续搅拌，搅拌浆及其连杆为玻璃制成，搅拌速度控制在50转/分。电解反应器及其连接方式。

2、电解阳极液。从北京某航空制造厂取含铝碱性废液，其中含Al₂O₃10％、NaOH35％、水55％。该含铝碱废液经放置后仍呈透明状，无沉淀析出，因而可直接用作电解制备液，也可以35-45％的浓碱稀释到所需要的浓度使用。

3、电解阴极液。使用40％的NaOH溶液作阴极液，由固体工业NaOH加入蒸馏水配制。

4、电解液添加剂。取20克NaCl、20克Na₃PO₄(含12个结晶水)、20克NaCOOCH₃和20克Na₂SiO₃固体混合均匀，使用时称取一定量，并以少量电解液溶解。

5、电量参数。电解槽压和电流可通过电源控制，为避免阳极极化，应取得低电压大电流的效果。为此，一般控制电压低于5V，并通过多极电极并联和加入适量电解液添加剂可以提高相同电压下的电流强度。

具体的制备过程是：在阳极槽中加入总计650ml的含铝碱性废原液或稀释的液体，其中含约0.8wt％的电解液添加剂，电解液的液面以将极间隔膜淹没为宜。在两阴极槽中分别加入660ml的40％的NaOH溶液。阳极和阴极分别在紧靠膜两侧的阳、阴极室平行悬置，极间距1.1cm，两阳极和两阴极以并联方式分别与电源的正、负极连接。安装搅拌装置，调速50转/分。开启电解电源，置电压于3-5V，对应的电流为0.4-4.0A，电流和电压以精密万用表测定。电解制备开始后立即有紫红色的FeO₄ ^2-生成，电解3-8小时，可制备Na₂FeO₄含量为0.08％-1.03％、Al₂O₃为2-10％的高铁铝氧化絮凝剂液体产品。

电解液产品中高铁的含量采取亚铬酸盐氧化法测定。

本发明的突出特点是：

1、高铁与铝复合。通过以含铝碱液为原料，制备出了高铁与铝共存的氧化型絮凝剂液体产品，这种产品在保持高铁氧化、杀菌作用的同时，强化了它的絮凝功能。

2、废液利用。飞机制造厂(或其它生产过程的相似废品)生产的含铝废碱液不加利用地排放，不仅会造成环境污染，而且浪费了宝贵资源。但这种含铝废碱液的化学组成及其特性恰好符合制备高铁铝氧化絮凝剂的要求，是一种理想的新型絮凝剂电解制备的一种主要原料。同时，由于是废物利用，可使生产成本大大降低。

3、现场制备、使用。由于高铁的不稳定性，通过本发明制备的高铁铝絮凝剂液体将在应用现场制备并在制备后3天内使用。而采用本发明的方法生产高铁铝絮凝剂操作制备过程极为简单方便，非常符合现场制备和使用。

4、使用复合电解液添加剂。在电解液中加入一定比例的几种无机化学药剂，有效提高了电解制备效率和高铁产率，并在一定程度上提高了高铁的稳定性。

实施例例1：

取含铝碱性废液130ml，加入含工业NaOH35％的碱液520ml，配成650ml含Al₂O₃ 2％的阳极电解液，全部置于电解槽的阳极室中，在两阴极室分别加入含工业NaOH40％的碱液660ml。在下述条件下实施电解制备：

    电极阳极：低碳钢，10.0×7.0cm，2片

    阴极：具孔镍板，10.0×7.0cm，2片

    电解电源：直流稳压电源(可恒流)

    电路连接：并联

    电极间距：各电极距电解槽隔膜0.55cm，阳、阴极间距1.1cm

    电压：4.0V

    电流强度：0.2-1.57A

    温度：32.5-42.5℃

    最终电解时间：8小时

在不同电解时间内，电解制备液中含Na₂FeO₄和Al₂O₃的浓度为：

    电解3小时：Na₂FeO₄ 0.0049mol/L(0.081％)，Al₂O₃2％

    电解6小时：Na₂FeO₄ 0.01lmol/L(0.18％)，Al₂O₃2％

    电解8小时：Na₂FeO₄ 0.015mol/L(0.25％)，Al₂O₃2％

放置24小时后，最终(电解8小时)电解制备液中各主要成分不变。例2

在如例1所配制的阳极液中加入5克固体电解液添加剂并搅拌溶解，然后全部置于电解槽的阳极室中，阴极液以及所实施的电解制备条件与例1同，只是在加入了电解液添加剂后，在同样的4V电压下，电流明显增加，在整个电解制备过程中，电流稳定在2.01-2.18A之间，温度从电解开始时的31℃升至电解结束时(8小时)的40℃。

在不同电解时间内，电解制备液中含Na₂FeO₄和Al₂O₃的浓度为：

    电解3小时：Na₂FeO₄0.013mol/L(0.22％)，Al₂O₃2％

    电解6小时：Na₂FeO₄0.042mol/L(0.70％)，Al₂O₃2％

    电解8小时：Na₂FeO₄0.055mol/L(0.91％)，Al₂O₃2％

放置24小时后，最终(电解8小时)电解制备液中各主要成分不变。例3：

取含铝碱性废液原液650ml(含Al₂O₃10％)，全部置于电解槽的阳极室中，在两阴极室分别加入含工业NaOH35％的碱液660ml，阴极液与例1、2同。在下述条件下实施电解制备：

    电极阳极：低碳钢，10.0×7.0cm，2片

    阴极：具孔镍板，10.0×7.0cm，2片

    电解电源：直流稳压电源(可恒流)

    电路连接：并联

    电极间距：各电极距电解槽隔膜0.55cm，阳、阴极间距1.1cm

    电压：5.0V

    电流强度：1.58-2.95A

    温度：30.5-41.5℃

    最终电解时间：8小时

在不同电解时间内，电解制备液中含Na₂FeO₄和Al₂O₃的浓度为：

    电解3小时：Na₂FeO₄ 0.0069mol/L(0.12％)，Al₂O₃ 10％

    电解6小时：Na₂FeO₄ 0.027mol/L(0.45％)，Al₂O₃ 10％

    电解8小时：Na₂FeO₄ 0.035mol/L(0.58％)，Al₂O₃ 10％

放置24小时后，最终(电解8小时)电解制备液中各主要成分不变。例4：

取含铝碱性废液原液(含Al₂O₃ 10％)650ml，加入5克电解液添加剂，搅拌溶解后全部置于阳极室中。阴极液以及所实施的电解制备条件与例1同，只是在加入了电解液添加剂后，在同样的5V电压下，电流明显增加，在整个电解制备过程中，电流稳定在2.80-3.74V之间，温度从电解开始时的33.5℃升至电解结束时(8小时)的40.5℃。

在不同电解时间内，电解制备液中含Na₂FeO₄和Al₂O₃的浓度为：

    电解3小时：Na₂FeO₄ 0.019mol/L(0.32％)，Al₂O₃ 10％

    电解6小时：Na₂FeO₄ 0.047mol/L(0.78％)，Al₂O₃ 10％

    电解8小时：Na₂FeO₄ 0.078mol/L(1.03％)，Al₂O₃ 10％

放置24小时后，最终(电解8小时)电解制备液中各主要成分不变。

Claims (5)

1、一种复合高铁铝絮凝剂的电化学制备方法，其特征在于在装有全氟磺酸离子交换膜、铁板阳极、镍板阴极的电化学反应器中，用含铝碱性废液为阳极电解液，35％的NaOH溶液为阴极电解液，用交直流转换稳压电源给阳极和阴极输入电流，最大输出电流30A，最大输出电压15V，并用搅拌器连续进行搅拌，由此制备复合高铁铝絮凝剂。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于用低碳钢作阳极。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于用含铝碱性废液的稀释液为阳极电解液。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于电解液添加剂占电解液重量的0.8％。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于电解时间为3-8小时。

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