以低品位赤铁矿、盐酸、硫酸和硅酸钠为原料，制备了聚硅氯化硫酸铁（PSFCS）混凝剂，对合成过程及工艺条件进行了研究。通过正交实验考查了混合酸的温度及浓度、浸出时间和液固比对铁浸出率的影响。并讨论了硅酸活化pH值、硅酸活化时间、Fe/Si摩尔比、陈化时间等因素对合成产物PSFCS的絮凝性能的影响。结果表明，PSFCS絮凝性能良好，能有效去除印染废水中的浊度和CODCr，最高去除率分别为95.5%和80.2%。
???? 聚硅氯化硫酸铁（PSFCS）是一种高效复合无机高分子混凝剂，是将金属离子引入到活性硅酸上而制得的复合型混凝剂。赤铁矿是一种氧化铁矿，分选比较困难，其主要有用化学成分是Fe2O3以及少量的FeO等，要想使铁的含量达到炼铁的入炉要求，则选矿成本往往较高。基于混凝剂的需求量逐步增大，将低品位赤铁矿用于混凝剂的合成是一种值得探索的途径。目前尚未发现相关报道。
??? 一、实验方法
??? （一）主要仪器及原料
??? DBJ-621型六联定时变速搅拌机，用于定时、定速搅拌；79HW-1型恒温磁力搅拌器，用于调控温度和搅拌；WG2-200型散射式浊度仪，用于测定浊度；pHS-3C型酸度计，用于测定pH值；赤铁矿溶出的Fe3＋浓度，采用二氯化锡还原，以二苯胺磺酸钠为指示剂，重铬酸钾滴定法测定。采用重铬酸钾法测定COD。
??? 赤铁矿取自江苏某铁矿[w（Fe）＝55%]；盐酸为化学纯[w（HCL）＝37%]；硫酸为工业品[w（H2SO4）＝98%]；硅酸钠为工业品[w（SiO2）＝26%，模数3.1，ρ＝1.36㎏/L]。磷酸二氢钾和亚硝酸钠为化学纯。实验用水为自来水。废水取自江苏某印染厂，废水水质：CODCr为316.8mg/L，浊度为144.4NTU，pH值为9.0，其组分以活性燃料为主，呈墨黑色。
??? 原矿性质：矿石中主要金属矿物为赤铁矿，其次为磁铁矿、褐铁矿。赤铁矿嵌布粒度较细，磁铁矿主要呈自形晶粒状，嵌布粒度较粗，被赤铁矿交代，常与赤铁矿一 起充填于脉石矿物裂隙中，褐铁矿主要由赤铁矿氧化蚀变而成，基本保留原赤铁矿的嵌布特征。脉石矿物以石英为主，并含有少量云母、石榴子石、绿泥石等。其结 构为粗中粒砂状结构、接触-充填式胶结，砂粒成分以石英为主，磁铁矿次之，被少量石榴子石、绿泥石等充填式胶结，石榴子石呈自形晶粒状，与铁矿物密切伴 生，以胶结物形式产出。
??? 精矿主要化学成分分析结果列于表1。矿粉粒径小于0.1mm，铁矿物主要呈单体和连生体。
表1? 精矿主要化学成分分析结果（质量分数）/%
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TFe
|
SFe
|
FeO
|
SiO2
|
Al2O3
|
CaO
|
MgO
|
|
55.02
|
54.76
|
8.85
|
18.26
|
2.13
|
0.28
|
0.31
|
??? （二）PSFCS混凝剂的制备
??? 取一定量的赤铁矿粉，加入适量不同浓度的混合酸，控制液固比为3.0～4.5，在80～110℃加热搅拌，加热过程中分别加入适量稳定剂KH2PO4和催化剂NaNO2并 通入氧气氧化，反应结束后经冷却、过滤，得聚合氯化硫酸铁溶液。盐酸稀释至3～6mol/L，硫酸稀释至6～12mol/L，二者再按1∶1混合；采取二 级逆流串级，即分两段浸出；一段浸出液再进入二段与新鲜赤铁矿混合，二段滤渣进一段与新鲜的混酸混合。一段浸出时间为1～2.5h，二段浸出时间为1h。 KH2PO4加入一段，NaNO2加入二段。
??? 将一定量的硅酸钠溶入水中，配成130～150mg/L的硅酸钠溶液，用稀硫酸调节其pH值，控制pH＝2，在室温下活化一定时间，再加入用赤铁矿制备的聚合氯化硫酸铁溶液，陈化2h左右，即得PSFCS混凝剂。
??? （三）用PSFCS处理印染废水
??? 在烧杯中先加入水样100mL，再加入一定量的混凝剂PSFCS，用DBJ-621型定时变速搅拌机，先以160r/min的转速搅拌2min，使混凝剂 充分分散在废水中，随后降低转速至40r/min，搅拌10min，然后转入100mL量筒中，静置20min后，取距液面25mm处澄清液分析水质的浊 度和CODCr。
??? 二、实验结果与讨论
??? （一）聚合氯化硫酸铁溶液制备条件
??? 实验采用部分正交实验设计。通过探索试验，预先确定了4种影响因素及考查范围。酸浸出温度为80～110℃，硫酸浓度为3～6mol/L，盐酸浓度为1.5～3mol/L，酸浸时间为2～3.5h（1、2段总和），液固比为3∶1～4.5∶1。选用正交表L16（45），每一因素考查4个水平，因素及水平见表2，正交实验结果见表3，表中第5列为空白列，用于估计实验误差及方差分析，方差分析结果见表4。各因素下铁浸出率统计平均值见图1。
表2? 铁浸出率正交实验因素及水平
|
水平
|
A
|
B
|
C
|
D
|
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酸浸温度/℃
|
硫酸＋盐酸浓度/（mol·L－1）
|
酸浸出时间/h
|
液固比（质量比）
|
|
|
1
2
3
4
|
80
90
100
110
|
3＋1.5
4＋2
5＋2.5
6＋3
|
2
2.5
3
3.5
|
3∶1
3.5∶1
4∶1
4.5∶1
|
表3? 铁浸出率正交实验结果
|
列号
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
铁浸出率/%
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|
A
|
B
|
C
|
D
|
空白
|
||
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
|
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
4
4
4
4
|
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
|
1
2
3
4
2
1
4
3
3
4
1
2
4
3
2
1
|
1
2
3
4
3
4
1
2
4
3
2
1
2
1
4
3
|
1
2
3
4
4
3
2
1
2
1
4
3
3
4
1
2
|
41.0
63.7
86.5
94.1
73.3
78.3
68.1
82.0
84.8
94.5
70.2
64.2
73.5
66.9
94.6
83.1
|
|
k1
k2
k3
k4
|
71.3
75.4
78.4
79.5
|
68.2
75.9
79.9
80.9
|
68.2
74.0
80.1
82.6
|
60.1
72.4
84.4
88.0
|
78.0
74.9
75.6
76.1
|
|
|
R
|
8.2
|
12.7
|
14.4
|
27.9
|
3.1
|
表4? 铁浸出率方差分析表
|
方差来源
|
平方和
|
自由度
|
均方
|
F值
|
显著性
|
|
A
B
C
D
误差
|
161.5
399.5
500.0
1920.5
21.2
|
3
3
3
3
3
|
53.8
133.2
166.7
640.2
7.1
|
7.6
18.9
23.6
90.8
|
*
*
**
|
|
总和
|
3002.7
|
15
|
F0.05（3，3）＝9.28
|
||
图1? 铁浸出率正交实验结果k值图
??? 根据图1正交实验结果k值的变化趋势可以看出，4种影响因素均为4水平时铁的浸出率最高。对于A因素（酸浸温度），温度升高有利于加快铁的溶出速度，且有 助于水解和聚合反应，基于采用混合酸浸出，单一酸的浓度较低，不易挥发，可以取较高温度，所以将A因素定为4水平，即酸浸温度取110℃.随酸的浓度（B 因素）提高，铁的浸出率增大，但当浓度大于3水平后，铁的浸出率上升幅度减少，所以将B因素定为3水平，即硫酸浓度为5mol/L，盐酸浓度取 2.5mol/L。铁的浸出率与C因素（酸浸出时间）成正比，但浸出时间对浸出率的贡献较小，因此将C因素定为3水平，即酸浸出时间取3h。随着D因素 （液固比）的增大，铁浸出率随之升高。因为液固比提高后，反应的液固接触面积增加，但同时意味着酸的过量系数加大，在铁浸出率升高的同时将会引起盐基度的 下降，从而导致产品的碱化度降低；此外还会引起酸耗增加、产品中游离酸增多、成本上升，因此D因素定为3水平。即液固比取4。
??? 按照以上分析可得，最佳水平为A4B3C3D3。以最佳水平安排了两组验证实验，铁的浸出率分别为95.1%和94.3%。
