亚铁盐与高铁盐除磷工艺的对比研究-张萌

第27卷第3期张萌等：亚铁盐与高铁盐除磷工艺的对比研究521当反应达到平衡时，rm()GTΔ=0，J=Kθ，rm()lnGTRTKΘΘΔ=−(2)将式(2)代入式(1)中，得rm()lnlnGTRTKRTJΘΔ=−+(3)对于亚铁盐和高铁盐除磷过程，亚铁盐、高铁盐和磷酸根按反应式(4)(5)反应。23434221FePOFe(PO)(s)33+−+=232/310sp4[Fe][PO]1.110K+−−==×(4)[19,21]3344FePOFePO(s)+−+=3322sp4[Fe][PO]1.310K+−−==×(5)[22]假设铁盐和磷酸根浓度均为1mol⋅L−1，反应温度为25℃(298.15K)时，可算得亚铁盐和高铁盐除磷的反应摩尔Gibbs函数[变]。rmsp1(,Fe(II))lnlnlnlnGTRTKRTJRTRTJKΘΔ=−+=−+11018.314298.15ln56.86kJmol1.110−−=−××=−⋅×rmsp1(,Fe(III))lnlnlnlnGTRTKRTJRTRTJKΘΔ=−+=−+12218.314298.15ln124.92kJmol1.310−−=−××=−⋅×从热力学角度看，在废水处理过程中，亚铁盐和高铁盐均易混凝除磷[20]，但相较而言，高铁盐与磷酸盐的沉淀反应更易发生且更趋完全，即高铁盐较亚铁盐作为除磷混凝剂更为有效。3.1.2铁盐除磷的计量关系混凝剂的消耗量是废水除磷成本的重要组成部分，铁离子与磷酸根反应的化学计量比例是影响混凝剂消耗量的关键因素。根据亚铁盐和高铁盐除磷反应式(4)(5)知，在除磷过程中每去除单位量的磷需消耗1.5单位量的亚铁混凝剂和1单位量的高铁混凝剂。从化学计量学角度看，高铁盐除磷的混凝剂消耗量少于亚铁盐除磷。3.1.3铁盐除磷的致酸性由于在水溶液中铁盐会发生水解反应，铁盐除磷过程中易出现酸化问题，需外加碱液来强化除磷。对溶液中亚铁盐和高铁盐的主体水解反应式(6)(7)进行分析，可算出不同pH条件下生成Fe(OH)2和Fe(OH)3的最低铁浓度。由表2知，在废水达标排放的情况下，亚铁盐混凝除磷的适宜pH为6.0~8.0，pH过高或过低都会影响混凝剂的有效率；高铁盐混凝除磷适合酸性条件，适宜pH为2.0~3.0，高铁盐水解的致酸性有利于沉淀反应，但出水需加碱中和，以达到国家废水排放标准。从铁盐致酸性角度看，高铁盐的致酸性较亚铁盐更强，即废水达标排放所需的碱液投加量更大。2+2Fe+2OH=Fe(OH)(s)-2217sp[Fe][OH]4.8610K+−−==×(6)[20]3+3Fe+3OH=Fe(OH)(s)-3339sp[Fe][OH]2.810K+−−==×(7)[20]3.1.4铁盐除磷的达标能力铁盐除磷的达标能力是铁盐除磷效能的重要指标之一。根据铁盐与磷酸根反应式(4)、(5)，结合Singer[21]等对铁盐除磷理论的研究结果，可知在pH=7.0情况下，溶液中剩余磷浓度与亚铁盐浓度和高铁盐浓度的关系为：2T3log[Fe]2log[P]18.36++=−(8)3Tlog[Fe]log[P]16.12++=−(9)若将铁盐与磷酸根按化学计量比例进行的沉淀反应称为铁盐除磷的平衡反应，则平衡反应的最大特点是在反应体系中铁盐与磷酸根的存在量始终接近化学计量比例。据此可算得pH=7.0时，溶液中亚铁表2不同pH条件下生成Fe(OH)2和Fe(OH)3的最低铁浓度Table2TheminimumconcentrationofFeinvariouspHforFe(OH)2andFe(OH)3pH5.06.07.08.09.010.0DoseofFe2+forFe(OH)2/mg⋅L−12.72×1062.72×104272.162.72160.02720.0003pH1.02.03.04.05.06.0DoseofFe3+forFe(OH)3/mg⋅L−11.57×105156.80.15681.57×10−41.57×10−71.57×10−10522高校化学工程学报2013年6月0204060801000.75Fe(III)/PpHFMS10.0(unit/rpm)3.02.01.51.00.5pHFMSFe/P0.259.08.07.06.05.04.03.0300250200150100500.5mg⋅L−1Phosphorusresidual/mg⋅L−1020406080100Fe/PpHFMSPhosphorusremoval/%(unit/rpm4.53.02.01.51.1250.75pHFMSFe/P0.37510.09.08.07.06.05.030025020015010050DischargeStandard图1各操作条件对亚铁盐