聚鐵是優(yōu)良安全的自來水和工業(yè)污水的處理劑

聚合硫酸鐵(簡稱聚鐵，PFS)自70年代問世以來，引起了世界各國的水處理界專家學(xué)者的關(guān)注。80年代初，日本實現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。我國從80年代初開始對聚鐵進行研制，80年代中期，化工部天津化工研究院及其一些大專院校先后開發(fā)出釜式反應(yīng)生產(chǎn)工藝，以搪瓷釜為反應(yīng)器，在一定工作壓力和溫度下，在進行攪拌的同時，先后加入反應(yīng)原料及催化劑進行氧化、水解和聚合反應(yīng)。此工藝先后在國內(nèi)建成幾條生產(chǎn)線，取得一定的運行經(jīng)驗，并生產(chǎn)出了質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，用于工程實踐，取得了良好的效果。90年代中期山東建筑工程學(xué)院在多年研制的基礎(chǔ)上，于1995年建成了塔式生產(chǎn)聚鐵的生產(chǎn)裝置，并投入了試生產(chǎn)。據(jù)報道，此工藝中的化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)塔內(nèi)進行，反應(yīng)速度快，可在常壓或低壓下運行，操作安全。一些研究單位和大專院校還進行了硫酸亞鐵與過氧化氫、硫酸亞鐵與氯酸鉀直接合成的實驗室及小型工業(yè)生產(chǎn)實驗，但目前尚未有進行工業(yè)生產(chǎn)的報道。從總體看，我國聚鐵的研制和工業(yè)生產(chǎn)水平接近某些發(fā)達國家的水平，生產(chǎn)出的產(chǎn)品能夠滿足給水凈化和廢水處理的要求。

聚鐵與傳統(tǒng)的硫酸亞鐵、三氯化鐵、硫酸鋁等凈水劑相比較有著突出的優(yōu)點：對原水的pH適應(yīng)范圍廣，絮凝體形成速度快、密集且重量大，沉降速度快。尤其對低溫、低濁水有著優(yōu)良的處理效能。對各廢水中的BOD、COD及色度有良好的去除效果。同時由于聚鐵生產(chǎn)工藝簡單、原料價格低，因此生產(chǎn)成本低。以聚鐵和聚鋁相比，凈水效果和用量大致相當，但藥劑費可節(jié)約30～50%，經(jīng)濟效益顯著。因此國家環(huán)保局1992年、1994年兩次將聚鐵列入環(huán)境保護較好實用技術(shù)推廣項目，但推廣情況并不理想。一個重要原因是一些學(xué)者認為使用催化劑亞硝酸鈉生產(chǎn)的聚合鐵，由于在生產(chǎn)中使用亞硝酸鈉限制了產(chǎn)品的使用范圍；有的甚至提出亞硝酸鈉本身有致癌作用。因此從對人們的身體健康負責(zé)角度出發(fā)，許多單位不敢選用聚鐵做凈水劑；有的水廠雖然使用聚鐵后效果很好，也因上述原因改用了其它的藥劑。筆者擬對此進行分析。

目前我國形成一定生產(chǎn)規(guī)模的聚鐵廠，無論是采用有一定運行經(jīng)驗和可靠的壓力釜法生產(chǎn)工藝還是進行試生產(chǎn)的塔式工藝法都是加入催化劑進行氧化反應(yīng)，都以硫酸、硫酸亞鐵、氧氣和水為原料，在一定壓力溫度條件下用氧化劑進行氧化。從電化學(xué)角度看，可以氧化亞鐵的氧化劑較多，但在酸性溶液中其氧化還原電位必須大于硫酸亞鐵中鐵離子的氧化還原電位。

國內(nèi)外常用來進行直接合成試驗的氧化劑有過氧化氫、氯酸鉀、次氯酸鈉。上述直接合成法至目前為止，因成本或生產(chǎn)工藝問題而未形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。氧氣是一種較強的氧化劑，可將帶結(jié)晶水的硫酸亞鐵直接氧化成堿式硫酸鐵，此反應(yīng)在空氣中就能緩慢進行，在酸性溶液中氧氣氧化硫酸亞鐵的速度亦很緩慢。由FeS04.7H20轉(zhuǎn)化為PFS時，氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)和聚合反應(yīng)同時存在，在這三個反應(yīng)中氧化反應(yīng)是關(guān)鍵，主要取決于氧化反應(yīng)的速度。為了加快反應(yīng)速度必須通過催化作用改變反應(yīng)途徑，使新途徑的活化能降低，從而加快反應(yīng)速度。國內(nèi)外專家學(xué)者在催化劑的選用上做了大量的工作，日本在1976年發(fā)表了以硫酸亞鐵和硫酸為原料的催化氧化法制備聚鐵的專利，催化劑選用亞硝酸鈉。國內(nèi)提出了尚未公開的催化劑，用量少，縮短了反應(yīng)時間。在對可能起催化作用的化合物進行了大量對比實驗后，認為NaNO2仍不失為一種優(yōu)良的催化劑。

目前，我國形成規(guī)模生產(chǎn)的聚鐵廠都選用NaNO2作催化劑。目前對催化反應(yīng)的過程和催化劑NaNO2作用原理尚未有統(tǒng)一看法，筆者認為其過程和原理是亞硫酸鈉在稀硫酸液中，生成亞硝酸，亞硝酸是一種弱酸，電離常數(shù)K=4.6×10-4，很不穩(wěn)定，僅存于冷的稀溶液中，溶液濃縮或微熱時會分解為NO和N02，故可知亞硝酸及其鹽主要表現(xiàn)為氧化性。NO是無色氣體，幾乎不溶于水。

關(guān)于Fe(NO)S04不同學(xué)者對此有不同看法，有的認為難以斷定是化合物或是數(shù)種化合物；有的則認為是利用NO分子內(nèi)的孤對電子與過渡金屬鐵離子形成的配合體。它的成份隨溫度而改變，NO多在空氣中被氧化為NOz，它是一種強氧化劑。硫酸亞鐵在硫酸溶液中進行氧化，如果硫酸用量不小于HZS04：FeS04=1：2，則硫酸亞鐵被氧化成硫酸鐵。在HZS04:FeS04<1:2時三價鐵離子發(fā)生強行水解，產(chǎn)生氫離子和各種羥基離子，在這種情況下，可制得聚合鐵。反應(yīng)體系還伴有副反應(yīng)：有O2的情況下，聚鐵生成的整個反應(yīng)過程是相當復(fù)雜的，

亞硝酸鈉對聚合鐵的催化反應(yīng)實際是NO，有的文獻報道真正的催化劑是NO2，包括NO、N02、N203，實際上N203只是HN02分解的中間產(chǎn)物，只在低溫時存在。由于聚合反應(yīng)是在聚合釜內(nèi)進行，溫度被控制在較高的數(shù)值范圍內(nèi)，反應(yīng)在酸性溶液中進行，催化劑已不能以亞硝酸鈉的形式存在。則不可能以亞硝酸鈉的形式進入產(chǎn)品內(nèi)。

大港油田濱海水廠以灤河水為水源，使用聚鐵做凈水劑，已運行三年，未曾發(fā)現(xiàn)源水凈化后亞硝氮含量增加的情況，而是含量降低。為進一步驗證使用聚鐵做飲用水凈水劑給原水中亞硝氮的含量帶來的變化，凈水劑廠請?zhí)旖蚴行l(wèi)生防疫站對水廠使用的聚鐵（以鈦白粉副產(chǎn)品硫酸亞鐵為原料）進行了分析，并對其凈化后的水進行分析化驗，其結(jié)果見表1。

從結(jié)果中進一步證實了用聚鐵凈化水不但不會增加而且還可以降低亞硝氮的含量。我國在GB5749-85飲用水水質(zhì)標準所列項目中并未列出亞硝氮。在城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃中要求一類水司的水質(zhì)標準中亞硝酸鹽的含量為0.1mgN02/L?？梢娞幚砗蟮乃沁_到了一類水司要求。

從上述結(jié)果中還可以看出，使用聚鐵凈化水，不但不會使水中鐵的含量增加，而且除鐵效果顯著。而有的報道則認為，使用聚鐵進行凈水處理會增加水中鐵的含量，同時會給水的色度帶來影響，這與上述事實截然不同。這一現(xiàn)象較近在大港油田的油層污水處理中又得到證實，油田采油作業(yè)區(qū)用聚鐵處理油層污水，其原水和處理后的水化驗結(jié)果見表2。

可以看出，聚鐵確是一種優(yōu)良的無機高分子凈水劑，有著常規(guī)無機凈水劑不具備的特性。其原因主要在于聚合鐵其分子量比一般混凝劑大得多，其中存在低聚多核羥基絡(luò)離子，這類絡(luò)合離子在疏液表面有很強的化學(xué)作用，投加后將會產(chǎn)生迅速的吸附架橋作用，使粘土顆粒達到電中和脫穩(wěn)絮凝，又發(fā)揮粘結(jié)架橋卷掃絮凝作用，表現(xiàn)出較高的絮凝效果，是優(yōu)良安全的自來水和工業(yè)污水的處理劑。但關(guān)于聚鐵的合成、形態(tài)、效能、絮凝機理還不很清楚，需經(jīng)進一步深入研究，使之應(yīng)用更為廣泛。