制備方法
聚合硫酸鐵的制備主要有直接氧化法法和催化氧化法。大多數PFS的制備采用直接氧化法，此法工藝路線較簡單，用于工業生產可以減少設備投資和生產環節，降低設備成本，但這種生產工藝必須依賴于氧化劑，如:H2O2、KClO3、HNO3等無機氧化劑。催化氧化法一般是選用一種催化劑，利用氧氣或空氣氧化制備聚合硫酸鐵。以下是制備聚合硫酸鐵的具體操作方法:
雙氧水氧化法:
雙氧水(H2O2)在酸性環境中是一種強氧化劑,可以將亞鐵氧化成三價鐵從而制得聚合硫酸鐵:
2FeSO4 + H2O2+ (1-n/2)H2SO4-→Fe2(OH)n(SO4)3-n/2+ (2-n)H2O
制備過程中,按照生產量和所需要的鹽基度,在反應釜中加入硫酸亞鐵、水和硫酸混合,當溫度升高到30~45℃時,在攪拌過程中,通過加料管在釜底緩慢加入H2O2。H2O2很快將亞鐵氧化成三價鐵,取樣分析待亞鐵濃度降至規定濃度時,停止反應。
利用本法生產聚合硫酸鐵,具有設備簡單、生產周期短、反應不用催化劑、產品不含雜質、穩定性高等特點。但反應過程中, 有H2O2在分解時形成O2氣放出在無催化劑時,起不到氧化作用。要減少O2的產生,需要控制H2O2的投加速度制備工藝為間歇式操作,影響生產效率。H2O2成本比較高,它增加了聚合硫酸鐵的生產成本,不利于工業化生產。
氯酸鉀(鈉)氧化法:
氯酸鉀是廣泛應用于火柴工業的強氧化劑,同樣可以將亞鐵氧化成三價鐵:
6FeSO4 + KClO3 + 3(1-n/2)H2SO4 -→ 3[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]+ 3(1-n)H2O + KCl
制備時,將硫酸、硫酸亞鐵和水按比例加入反應釜中,在常溫或稍微高溫度下,攪拌中加入氯酸鉀。檢驗亞鐵離子減少到規定濃度即可結束。
該法生產工藝簡單,設備投資少,產品穩定性好,反應效率高,無空氣污染。產品中含有氯酸鹽,可兼作混凝與殺菌劑。但制品中殘留有較高的氯離子和氯酸根離子,不宜于飲用水處理。同時,由于氯酸鉀價格昂貴,產品成本高。
次氯酸鈉氧化法:
次氯酸鈉屬于堿性氧化劑,其氧化還原電位較高,理論上能將亞鐵氧化成三價鐵:
2NaClO + 2H2SO4-→K2SO4+ 2H2O + Cl2
生產的仍為氧化劑,可以將亞鐵氧化成三價鐵。但會有少量以氣體形式逸出而浪費掉,不能充分利用。同時也會造成環境污染,曾加后處理工序。次氯酸鈉是堿性氧化劑,制備聚合硫酸鐵時,為了降低pH值, H2SO4的用量較高。用該法制備的聚合硫酸鐵穩定性差,不宜長期保存。
硝酸氧化法:
硝酸為中強氧化劑,與亞鐵反應如下:
FeSO4 +HNO3 -→ Fe(OH)SO4+ NO2
反應生成的NO2又可以起到氧化作用,因而HNO3的氧化效率高。
該法是以工業硫酸亞鐵為原料,采用工業硫酸氧化后以工業濃硝酸氧化。FeSO4:HNO3為1:(0.20~0.30):(0.10~0.32),加入水量小于以上三者總量的20%,于0.1~0.2MPa下，攪拌中通入充足的空氣或氧氣,于50~70℃氧化,102~103℃水解聚合而成。反映周期控制在30~60min以內。
用HNO3氧化時,成本比較低,反應周期短。所得產品濃度高,易于制成固體產品。若選用工業一級品原料,所得產品可用于飲用水處理。但反應中生成的NO2,會造成環境污染,需增加專門吸收裝置予以處理。
綜上所述,直接氧化法雖然工藝簡單,操作簡便,但存在氧化劑用量大,成本高,氧化劑引入的離子需分離出去,反應中產生的有害氣體需專門設備吸收處理等問題,因而難于在工業化生產中普及和應用。但實驗研究中需要少量的聚合硫酸鐵時采用此類方法制備簡單易行。
催化氧化法:
聚合硫酸鐵在工業生產中多采用催化氧化法。
即以硫酸亞鐵及硫酸為原料,借助催化劑(NaNO2)的作用,利用氧化劑使硫酸亞鐵在酸性介質中被氧化成三價鐵離子。然后用氫氧化鈉中和,調整堿化度進行水解,聚合反應制得聚合硫酸鐵。