鐵氧體沉澱法

鐵氧體沉澱法

鐵氧體(Ferrite)是指一類具有一定晶體結構的複合氧化物,它具有高的導磁率和高的電阻率(其電阻比銅大10~10倍),是一種重要的磁性介質。其製造過程和機械性能頗類似陶瓷品,因而也叫磁性瓷。跟陶瓷質一樣,鐵氧體不溶於酸、鹼、鹽溶液,也不溶於水。鐵氧體的磁性強弱及其他特性,與其化學組成和晶體結構有關。

基本介紹

  • 中文名:鐵氧體沉澱法
  • 外文名:Ferrite
  • 領域:化學
  • 分類:中和法和氧化法
類型,工藝分類,中和法,氧化法,工藝流程,工藝優缺點,工藝套用,

類型

鐵氧體的晶格類型有七種,其中尖晶石型鐵氧體最為人們所熟悉。因為尖晶石型鐵氧體的製備原料易得,方法成熟,進入晶體晶格中的重金屬離子種類多,形成的共沉澱物的化學性質穩定,表面活性大,吸附性能好,粒度均勻,磁性強,所以用鐵氧體工藝處理含重金屬污水時,多以生成尖晶石結構的鐵氧化為主。
尖晶石型鐵氧體的化學組成一般可用通式BO·A2O3表示。其中B代表二價金屬,如Fe、Mg、Zn、Mn、Co、Ni、Ca、Cu、Hg、Bi、Sn等,A代表三價金屬,如Fe、Al、Cr、Mn、V、Co、Bi及Ga、As等。許多鐵氧體中的A或B可能更複雜一些,如分別由兩種金屬組成,其通式為(BxB1-x)O·(AyA1-y)2O3。鐵氧體有天然礦物和人造產品兩大類,磁鐵礦(其主要成本為Fe3O4或FeO·Fe2O3)就是一種天然的尖晶石型鐵氧體。

工藝分類

按產物生成過程不同,鐵氧體沉澱法工藝可分為中和法和氧化法兩種。

中和法

中和法是先將Fe和鐵鹽溶液混合,在一定條件下用鹼中和直接形成尖晶石型鐵氧體。

氧化法

氧化法是將亞鐵離子和其他可溶性重金屬離子溶液混合,在一定條件下用空氣(或其他方法)部分氧化Fe,從而形成尖晶石型鐵氧體。
例如用鐵氧體法處理含鉻廢水時,就是採用氧化鐵氧體法。在含鉻廢水中加入過量的硫酸亞鐵溶液,使其中的正6價鉻和亞鐵離子發生氧化還原反應,Cr被還原為Cr,而亞鐵離子則被氧化為Fe,調節溶液pH值,使Cr、Fe和Fe轉化為氫氧化物沉澱,然後加入H2O2,再使部分Fe氧化為Fe,組成類似Fe3O4·xH2O的磁性氧化物,這種氧化物即為鐵氧體,其組成也可寫成Fe Fe[FeO4]·xH2O,其中部分Fe可被Cr代替,因此可使鉻成為鐵氧體的組分而沉澱出來。

工藝流程

鐵氧體法處理重金屬廢水工藝是指向廢水中投加鐵鹽,通過工藝條件的控制,使廢水中的各種金屬離子形成不溶性的鐵氧體晶粒,再採用固液分離手段,達到去除重金屬離子目的的方法叫鐵氧體沉澱法。在鐵氧體工藝過程澡也往往伴隨著氧化還原反應,其工藝過程包括投加亞鐵鹽、調整pH值、充氧加熱、固液分離、沉渣處理等五個環節。
①配料反應
為了形成鐵氧體,通常要有足量的Fe和Fe。重金屬廢水中,一般或多或少地含有鐵離子,但大多數滿足不了生成鐵氧體的要求,通常要額外補加鐵離子,如投加硫酸亞鐵和氯化亞鐵等。投加二價鐵離子的作用有三:a.補充Fe;b.通過氧化,補充Fe;c.如廢水中有六價鉻,則Fe能將其還原為Cr。作為形成鐵氧體的原料之一;同時,Fe被六價鉻氧化成Fe,可作為三價金屬離子的一部分加以利用。通常,可根據廢水中重金屬離子的種類及數量,確定硫酸亞鐵的投加量。如在含鉻廢水形成的鉻鐵氧體中,Fe與“Fe+Cr”之摩爾比為1:2;而在還原六價鉻時Fe的耗量為3mol/mol(Cr)。因此,1mol的Cr所需的FeSO4為5mol(理論量)。亞鐵鹽的實際投量稍大於理論量,約為理論量的1.15倍。
② 加鹼共沉澱
根據金屬離子的種類不同,用氫氧化鈉調整pH值至8~9。在常溫及缺氧條件下,金屬離子以M(OH)2及M(OH)3的膠體形成同時沉澱出來,如Cr(OH)3、Fe(OH)3、Fe(OH)2和Zn(OH)2等。必須注意,調整pH值時不可採用石灰,原因是它的溶解度小和雜質多,未溶解的顆粒及雜質混入沉澱中,會影響鐵氧體的質量。
③ 充氧加熱,轉化沉澱
為了調整二價金屬離子和三價金屬離子的比例,通常要向廢水中通入空氣,使部分Fe(II)轉化為Fe(III)。此處,加熱可促使反應進行、氫氧化物膠體破壞和脫水分解,廢水中其他金屬氫氧化物的反應大致相同,二價金屬離子占據部分Fe(II)的位置,三價金屬離子占據部分Fe(III)的位置,從而使其他金屬離子均勻地混雜到鐵氧化晶格中去,形成特性各異的鐵氧體。例如,Cr離子存在時形成鉻鐵氧體FeO(Fe1+xCr1-x)O3。
加熱溫度要注意控制,溫度過高,氧化反應過快,會使Fe(II)不足而Fe(III)過量。一般認為加熱至60~80℃,時間為20min,比較合適。加熱充氧的方式有二:一種是對全部廢水加熱充氧,另一種是先充氧,然後將組成調整好了的氫氧化物沉澱分離出來,再對沉澱物加熱。
④ 固液分離
分離鐵氧體沉渣的方法有四種:沉澱過濾、浮上分離、離心分離和磁力分離。由於鐵氧體的相對密度比較大(4.4~5.3),採用沉降過濾和離心分離都能獲得較好的分離效果。
⑤ 沉渣處理
根據沉渣的組成、性能及用途不同,處理方式也各異:a.若廢水的成分單純、濃度穩定,則其沉渣可作為鐵淦氧磁體的原料,此時,沉渣應進行水洗,除去硫酸鈉等雜質;b.供制耐蝕瓷器;c.暫時堆置貯存。

工藝優缺點

鐵氧體沉澱法具有如下優點:
①能一次脫除廢水中的多種金屬離子,出水水質好,能達到排放標準;
②設備簡單、操作方便;
③硫酸亞鐵的投量範圍大,對水質的適應性強;
④沉渣易分離、易處置,對其綜合利用不僅具有社會效益還有經濟效益。鐵氧體工藝沉渣可用於製造電視機偏轉磁芯材料、硫流體、CO中溫變化催化劑、導磁體、磁性標誌物、電磁波吸收材料等。
該法存在的缺點是:
①不能單獨回收有用金屬;
②需消耗相當多的硫酸亞鐵、一定數量的苛性鈉及熱能,且處理時間較長,使處理成本較高;
③出水中的硫酸鹽含量高。

工藝套用

自鐵氧體法處理重金屬污水工藝問世後,國內外用該法對多種實際水體進行了處理研究,處理的重金屬種類幾乎覆蓋全部重金屬,去除程度因實際水體及工藝操作情況不同變化較大,含單一重金屬污水處理後可達到各國污水排放標準,而多種重金屬離子共存水體,所確定的工藝參數對各種重金屬鐵氧體的生成條件下具普遍性,使處理程度有別,個別離子可能達不到污水排放標準。
實際污水處理,考慮到各種物質的干擾,或其他物質的排放控制,需對污水進行前後處理,如有機物的氧化加熱分解,泥沙柴草的去除等,對鐵氧體工藝處理後的排放水進行鐵氧體的固液分離方式有過濾、磁分離、離心、自然沉澱等。
鐵氧體工藝傾向於與其他污水處理工藝相結合,互相取長補短,構成新的工藝,使重金屬污水處理更趨完善,如GT(Galvanic Treatment)-鐵氧體法、電解-鐵氧體法、鐵氧體-HGMS(High gradient magnatic separation)法、離子交換-鐵氧體法、活性炭吸附-鐵氧體法等。鐵氧體處理重金屬污水工藝的發展,經歷了由單級向多級工藝複合發展;由複雜向簡單化、連續化、集成化發展的過程。它的發展趨勢除本身的完善外,與其他工藝的聯合是必經之路。

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