氯化铁废液水热法制备聚合氯化铁的实验研究

孔德顺,王鲁凤,蒋荣立

(1.六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004；2.中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221016；3.贵州省煤炭洁净利用重点实验室，贵州 六盘水 553004)

随着社会的快速发展，产生的污水越来越多，污水处理的药剂有许多种，其中聚合氯化铁(PFC)是一种适用范围较广的混凝剂，在用于水处理时，具有矾花较大、沉降速度快、受水温的影响较小、无潜在毒性等优点[1]，可以有效地实现各种废水的处理。

PFC的制备方法常见的有中和法、胶凝法、加热法等，上述方法均存在操作复杂、反应条件不易控制等不足。本实验以主要成分为FeCl3的高铁煤矸石酸浸液为原料，采用水热法制备了PFC。

1 实验部分

1.1 仪器与药品

仪器：FTIR-6700型傅立叶变换红外光谱仪、WGZ-1A型浊度计、pHS-2C型酸度计等。

药品：六水氯化铁、碳酸钠等(均为分析纯)。原料：氯化铁废液、高岭土(2.7μm)。

1.2 实验方法

1.2.1 PFC的制备

取一定浓度和体积的氯化铁废液于锥形瓶中，调节其pH后，在一定温度下恒温一定时间后取出，静置老化后即得PFC。具体的工艺流程如图1所示。

图1 PFC制备的工艺流程图

1.2.2 产物去浊性能的测定

向800mL自来水中加入3.0000g高岭土，充分搅拌后即得模拟废水。向其中加入所制备的质量分数为1%的聚合氯化铁溶液2.0mL，以1000r·min-1搅拌3min后，再以60r·min-1搅拌10min，沉降0.5h后，测上清液浊度，按式(1)计算去浊率[2]，用去浊率的大小来表征产物性能的优劣。

2 结果与讨论

2.1 Fe3+浓度对去浊性能的影响

固定聚合温度为55℃，聚合时间为3h，室温熟化时间为24h，pH=0.9，改变Fe3+的浓度分别为0.30mol·L-1、0.40mol·L-1、0.50mol·L-1、0.60mol·L-1、0.70mol·L-1，制备结束后测定产物的去浊性能，结果如图2所示。由图2可知，随着Fe3+浓度增大，去浊率先增大后减小，Fe3+浓度为0.5 mol·L-1时达到最大值；再继续增大Fe3+的浓度，去浊率减小。这是由于适宜的浓度有利于聚合反应的进行，浓度太低不利于聚合氯化铁形成长链的高分子产物，浓度太高则聚合不完全。由此确定铁离子浓度为0.50mol·L-1。

图2 Fe3+浓度对去浊率的影响

2.2 pH对去浊性能的影响

固定聚合温度为55℃，聚合时间为3h，室温熟化时间为 24h，Fe3+浓度为 0.5 mol·L-1，改变体系的 pH 分别为 0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 进行实验，结果如图3所示。由图3可知，随着pH的增大，去浊率先增大后减小。这是由于在较低的pH条件下，虽然体系不容易产生沉淀，但是体系中Fe3+的水解受到抑制，不利于铁离子的聚合；随着体系pH增高，溶液体系的颜色逐渐加深，此时较高的pH有利于产物的聚合，继续升高pH，则体系在加热的过程中会逐渐出现FeOOH、Fe(OH)3等沉淀。由于Fe(OH)3的Ksp较小，不宜在pH较高的条件下反应，所以确定反应体系的pH为1.0。

图3 pH对去浊率的影响

2.3 聚合时间对去浊性能的影响

固定聚合温度为55℃，聚合时间为3h，室温熟化时间为 24h，pH=1.0，聚合时间分别为 1h、2h、3h、4h、5h进行实验，结果如图4所示。由图4可知，随着聚合时间延长，产物的聚合度逐渐增大，去浊率先增大后减小，产物的去浊性能逐渐增加。随着聚合时间的延长，产物的聚合度过大，则不适用于水处理。这是因为产物的聚合度影响其电中和、架桥等性能，反应时间太长不利于产物去浊性能的提高，因此确定聚合时间为3h。

图4 聚合时间对去浊率的影响

2.4 聚合温度对去浊性能的影响

固定Fe3+浓度为0.5 mol·L-1，聚合时间为3h，室温熟化时间为24h，pH=1.0，聚合温度分别为35℃、45℃、55℃、65℃、75℃进行实验，结果如图 5所示。由图5可知，聚合温度超过45℃后，温度越高产物的去浊性能越差，过高的温度使得Fe(Ⅲ) 的水解-聚合会迅速转化为FeOOH、Fe(OH)3等沉淀，从而失去混凝性能[3]。因此确定聚合温度为45℃。

图5 聚合温度对去浊率的影响

2.5 熟化时间对去浊性能的影响

固定聚合温度为55℃，Fe3+浓度为0.5mol·L-1，聚合时间为 3h， pH=0.9，熟化时间分别为 0h、6h、12h、18h、24h进行实验，熟化结束后测定产物的去浊率，结果如图6所示。由图6可知，延长熟化时间，去浊率增大。这是因为刚生成的聚合物不稳定，随着熟化的进行，聚合物逐步转化为稳定的形态，从图6可以看出，老化18h以后，PFC产物的去浊性能趋于稳定，所以确定熟化时间为18h。

图6 熟化时间对去浊率的影响

2.6 产物的IR光谱分析

取上述优化条件下制备的液体产物，70℃蒸干后进行IR分析，结果如图7所示。从图7可知，产物在 621cm-1、751cm-1、1635cm-1、3362cm-1处均有明显的吸收峰。由于Fe3+水解共聚物主要是通过羟基键合形成的，样品在621cm-1处的吸收峰，为叠加在水分子吸收峰上的Fe-OH弯曲振动，751cm-1处附近的吸收峰是Fe-O-Fe弯曲振动产生的，1635cm-1处的吸收峰是H2O分子的弯曲振动，3362cm-1处是产物中与铁离子相连的羟基及样品内所吸附的水分子和配位水分子中的羟基伸缩振动产生的吸收峰，1112cm-1处附近的吸收峰为Fe-OH-Fe伸缩振动产生的[4-5]，表明样品中有以羟基桥联的铁聚合物，说明铁离子发生了一定程度的聚合。

图7 合成产物的IR谱图

2.7 反应机理分析

Fe3+具有较大的离子势，容易发生水解反应，Fe3+作为配离子[Fe(OH)2]+的中心体，对配体OH-具有强烈的吸引力，若体系的pH较高，会使[Fe(OH)2]+进一步反应，生成羟基氧化铁(FeOOH)和Fe(OOH)3沉淀，造成铁源的损失。所以，在适宜的pH下，[Fe(OH)2]+之间会发生共聚合反应，形成以羟基桥联的铁共聚物，逐步发生式(2)～式(5)的反应[6]：

铁离子逐步水解和聚合，形成了高分子产物PFC。由上述反应式可知，PFC为聚合度不同的复杂混合物。

3 结论

通过实验，获得了水热条件下氯化铁废液制备聚合氯化铁的优化条件，所得产物为无定形态的PFC。该法简便易行，利于废物利用。