聚合硫酸铁生产配方计算

聚合硫酸铁生产配方计算

李德有

（焦作技师学院，河南 焦作 454002） 

摘 　要：聚合硫酸铁是一种高效无机高分子絮凝剂，在水处理领域中应用极其广泛。本文根据化学平衡原理推导二步法生产工艺一次配方、二次配方的计算公式，为企业生产提供方便、准确的配方计算方法。

关键词：聚合硫酸铁 生产配方 无机絮凝剂

聚合硫酸铁(poly ferric sulfate，简称 PFS) 是 20世纪 70 年代国外开发的一种无机高分子混凝剂，在水处理领域中应用极其广泛[1][2]。与常用的混凝剂如三氯化铁、硫酸铝以及碱式氯化铝等相比，它有明显的优点。如净水过程中生成的矾花大、强度高、沉降快 、低温性能好；在污水处理时对某些重金属离子及 COD、色度、恶臭等均有显著的去除效果，对处理水的pH值适应范围较广 (pH = 4～11) 。

目前国内废水处理PFS多采用以硫酸亚铁、硫酸为原料，亚硝酸钠为催化剂，氧气为氧化剂，在反应釜内采用液体强制循环催化氧化法生产聚合硫酸铁。

由于生产PFS，特别是废水处理用PFS，原料酸常常是其它化工产的副产品或企业的废酸，产品浓度变化大，并且会含有铁离子，一步生产往往达不到产品质量要求，需要进行二步法生产。本文根据化学平衡原理推导催化氧化法二步法一次配方、二次配方的计算公式，为企业生产提供方便准确的配方计算方法。

1. PFS生产方法

制备聚合硫酸铁常用的催化氧化法、直接氧化法和生物氧化法三种方法。

1.1催化氧化法

催化氧化法是在催化剂的作用下，以空气或氧气作为氧化剂，将Fe2+氧化为 Fe3+，再经水解聚合获得 PFS 的方法。经常使用的催化剂为NaNO2、HNO3等，因NaNO2的成本相对较低，在实际生产中应用较广，但是由于NaNO2具有致癌作用，且容易残留在水体中，对人体健康造成危害，所以NaNO2为催化剂制备的PFS不适合用于处理饮用水。

如，刘爽[3]以FeSO4·7H2O 为反应物，NaNO2 为催化剂，对催化氧化法制备 PFS 中的各影响因素进行了研究，结果表明最佳实验条件为反应温度55℃、反应时间4 h、投加的硫酸亚铁与浓硫酸物质的量比为1:（0.45-0.50）。

1.2直接氧化法

直接氧化法是通过在酸性溶液中使用强氧化剂将Fe2+氧化为Fe3+，再经水解聚合获得 PFS的方法，该方法不需要额外向反应体系内通入氧气或空气，方法工艺路线简单，在常温常压下就可进行，而且反应速度快。直接氧化法常用的氧化剂有H2O2、KClO3或 NaClO3、NaClO、HNO3等。直接氧化法快速简单，但是生产成本高于催化氧化法。

如，龙腾锐等[4]以钛白副产物FeSO4·7H2O为反应物，30%的H2O2为氧化剂，反应约0.5 h 后合成了PFS。通过优化反应，Fe2+可被完全氧化，所得产品盐基度较高，可达13.1%。

1.3生物氧化法

生物氧化法制备是以 FeSO4为原料，用 H2SO4调节 pH，在室温下通入空气作为氧化剂，加入生物营养物质后，引入菌种（多为嗜酸好氧的氧化亚铁硫杆菌），FeSO4在菌种的作用下，会发生氧化、水解、聚合，最终生产聚合硫酸铁。生物氧化法可以在常温常压下生产，且成本较低，制备出的 PFS 盐基度高、酸度小，对设备腐蚀性小，但产品中Fe2+含量高，影响净水效果。

如，徐小惠等[5]以工业FeSO4·7H2O为原料，采用以氧化亚铁硫杆菌为主的混合细菌为菌种，通过曝气外循环反复分批式操作方法制备液体PFS，经减压蒸发后得到固体 PFS。

除了以上传统生产方法外，通过改性聚合硫酸铁，即在制备聚合硫酸铁的基础上，通过加入其他组分，调整系统的组成，改变聚合物网格结构，或加入辅助催化剂，可制备出综合性能或专向性能优于普通 PFS的改性PFS [6]。

2.催化氧化工艺

2.1催化氧化工艺过程

第一步（第一阶段）：

第二步（产品质量精确调整）：

2. 2催化氧化工艺相关化学反应

（1）催化氧化反应（慢反应）

2FeSO4＋H2SO4＋O2＝Fe2(SO4)3＋H2O

（2）水解反应（快反应）

Fe2(SO4)3＋nH2O＝Fe2(OH)n(SO4)3－n／2＋H2SO4

（3）聚合反应（快反应）

m［Fe2(OH)n(SO4)3－n／2］＝［Fe2(OH)n(SO4)3－n／2］m

参考PFS盐基度测定方法[7]（B），PFS盐基度的实质为聚合硫酸铁中OH与Fe的数量比的三分之一，则有：

3. 催化氧化化学平衡关系

根据上述化学反应中的电子得失和盐基度计算式，可以导出一步生产、二步生产中的Fe平衡关系和OH基团平衡关系。

3.1半成品生产（一步阶段）

其中：

：需加入原料FeSO4·7H2O的质量，Kg；

：原料FeSO4·7H2O中Fe百分含量，％；

：需加入的原料硫酸质量，Kg；

：一步目标产品中Fe的百分含量，%；

B1：一步产品盐基度；

：原料硫酸中硫酸的百分含量，％；

：1Kg纯

FeSO4·7H2O生产盐基度B1的一步产品需加入的纯硫酸质量，Kg。

3.2二步成品生产

因工艺、原料或其它因素，一步法生产往往达不到产品技术指标，实际生产常采用二步法生产工艺，通过二次调整，最终完成液体PFS的生产，二步生产中的化学平衡关系如下（设取1Kg一步产品调整）：

其中：

：实测一步产品（半成品）中Fe的百分含量，％；

：二步产品（最终产品）中Fe的目标百分含量，％；

：二步产品（最终产品）的目标盐基度；

：1Kg半成品生产盐基度B0的最终产品需加入的纯硫酸质量，Kg；

：1Kg纯FeSO4·7H2O生产盐基度B0的最终产品需加入的纯硫酸质量，Kg；

：需加入的FeSO4·7H2O质量，Kg；

：需加入的原料硫酸质量，Kg。

4. 配方计算公式

由一步、二步平衡关系式，可联立方程组，求出主原料配方（催化剂加入量为Fe的3－4%，氧气采用管道底部导入，总用量可根据总反应式计算，通常过量5%左右）。

4.1一步生产配方

根据一步反应中的化学平衡关系可得（假设生产1Kg液体产品）：

＝

4.2二步调整配方

根据二步生产中的化学平衡关系，设：

可得：

   如果，则：

如果，则：

5. 结论

以上根据化学反应平衡原理推导出的PFS生产配方计算公式在实际生中使用方便准确，容易理解，通常固化为计算机应用程序或APP，利用计算机、平板电脑或手机可快速得到准确生产配方，避免了复杂分步计算易出错的问题，同时减轻了配方人员的工作量。

参考文献：

[1]樊大勇,桂中明.聚合硫酸铁生产和应用技术研究进展[J].精细与专用化学品.2021,05:50

[2]刘长让,樊耀亭,刘相中.聚合硫酸铁的制备与应用[J].无机盐工业,1991,31(5):18-20

[3]刘爽. 聚合硫酸铁的制备与应用[J].环境与发展,2017,29(3):195.

[4]龙腾锐,郑怀礼,舒型武.利用钛白生产中的副产物制备聚合硫酸铁[J].化工环保,2002,22(1):49-52.

[5] 徐小惠,鲁敏,杨柳,等.固体生物聚合硫酸铁的制备及其絮凝性能[J].化工进展,2019,38(5):2434-2440.

[6]秦怀婷,曾小林,刘程琳.聚合硫酸铁的制备改性及应用研究进展[J].工业水处理.2023,7:57-58.

[7]中华人民共和国国家标准GB/T 14591-2016,5.4,5

作者简介:李德有（1965.11-），男，河南温县人，高级讲师，本科；研究方向：无机净水剂生产