第1章　基礎合成實驗

實驗1　聚合硫酸鐵的制備

實驗目的

（1）掌握制備聚合硫酸鐵的基本操作。

（2）了解制備聚合硫酸鐵的基本原理。

（3）掌握比重計、恒溫槽、酸度計、黏度計、微量滴定管等儀器的使用方法。

實驗原理

聚合硫酸鐵簡稱聚鐵，英文縮寫為PFS，又稱羥基硫酸鐵，通式為，是一種新型、優質、高效的鐵鹽類無機高分子混凝劑。聚合硫酸鐵是一種無機高分子凈水劑，具有很強的絮凝和沉降能力，且本身無毒，與其他絮凝劑如三氯化鐵、硫酸鋁、氯化硫酸鐵、堿式氯化鋁等相比，聚合硫酸鐵具有生產成本低、投加量少、適用pH范圍廣、雜質去除率高、殘留物濃度低等優點，在水處理領域中有著良好的應用前景，已廣泛應用于工業廢水（如食品、皮革、礦山、冶金、印染、造紙、石油等廢水）、城市污水以及生活飲用水的凈化處理。它具有很強的中和懸浮顆粒物的能力，有很大的比表面積和很強的吸附能力，是現在最高效的凈水劑之一。本實驗研究聚合硫酸鐵的制備方法，并學習測定聚合物密度、黏度、濁度的方法。

聚合硫酸鐵（PFS）的生產方法多種多樣，根據使用的氧化劑，可將制備方法大致分為空氣氧化法、硝酸氧化法、氯酸鹽和雙氧水氧化法。但無論使用哪種氧化劑，都需要經過氧化、水解、聚合步驟制得聚合硫酸鐵。利用直接氧化七水合硫酸亞鐵的方法合成聚合硫酸鐵，設備簡單、生產周期短、無污染、反應不用催化劑、產品不含雜質、穩定性高，對工業化生產具有一定的指導作用。

以FeSO4·7H2O為原料，在適當的條件下，用H2O2做氧化劑將Fe2+氧化為Fe3+，控制一定條件，使Fe3+先水合再經水解、聚合作用生成PFS。基本反應如下：

儀器與試劑

儀器　三頸瓶（250mL）、溫度計套管、溫度計、量筒（100mL、250mL）、酸度計、電熱恒溫水浴鍋、滴液漏斗（100mL）、電動攪拌器、攪拌棒、電熱恒溫干燥箱、蒸發皿、表面皿、微量酸式滴定管、錐形瓶（50mL）、電爐、比重計、黏度計。

試劑　FeSO4·7H2O、二苯胺磺酸鈉（0.2%）、H3PO4（濃）、H2SO4（濃）、H2O2（15%）、K2Cr2O7（0.1200mol·L-1）、污水。

實驗內容

（1）聚合硫酸鐵的制備

①用托盤天平稱取30g七水合硫酸亞鐵放入250mL三頸瓶中，加入50mL蒸餾水、2滴濃H2SO4，于40～50℃下加熱使之完全溶解，整個溶液呈綠色（瓶底有少量棕黃色不溶物，不影響操作）。

②用移液管移取1mL上述溶液于50mL錐形瓶中，依次加入14mL 蒸餾水、2滴0.2%二苯胺磺酸鈉、2mL濃H3PO4，迅速用0.1200mol·L-1 K2Cr2O7溶液滴定至溶液呈紫色且30 s內不褪色，計算原溶液中Fe2+濃度。

③用酸度計測定溶液pH值，求溶液中H+濃度。

④用FeSO4·7H2O或濃H2SO4調整溶液中［H+］/［ Fe2+］=0.35～0.45。

⑤保持三頸瓶反應溫度為70～80℃，在充分攪拌下緩慢加入7.6mL 15%的H2O2（15s加一滴），滴加完畢，要在加熱與攪拌下繼續反應15min，得到深紅棕色液體，即為液態聚合硫酸鐵。

⑥自然降溫到室溫，將溶液傾入蒸發皿中（沉淀棄去），加熱蒸發濃縮。其間要不斷攪拌，當溶液變稠時，改用小火加熱，直至溶液非常黏稠攪拌困難為止。將此黏稠物連同攪拌棒一起置于恒溫干燥箱中，于105℃下烘30min，取出。將半干的產品轉移至已知質量的表面皿中，繼續于105℃下烘45min左右，使其完全干燥，即得灰黃色固體PFS產品。取出已干燥的產品冷卻后稱重，計算產率。

（2）PFS產品性質實驗

①絮凝作用　取黃豆粒大小的產品加入盛100mL左右污水的杯中振蕩，觀察其絮凝和沉降能力。若溶液有紅棕色，說明PFS放多了。

②密度的測定　將若干組同學的產品合并在一起湊足40g，用100mL蒸餾水溶解，轉移至100mL量筒中測其密度。

③黏度的測定　用測過密度的溶液再測產品的黏度。

（3）PFS中Fe2+含量的測定

取10mL 0.1200mol·L-1 K2Cr2O7溶液，加水115mL稀釋，取10mL剛配好的PFS溶液用稀釋后的K2Cr2O7溶液以微量滴定管進行滴定，計算溶液中Fe2+含量。

實驗數據記錄與產品性能評價

（1）實驗數據記錄

（2）產品性能評價

根據產品性質評價產品的性能。

注意事項

（1）在酸性溶液中Fe3+為黃色，對終點觀察有干擾。所以要加入H3PO4，由于H3PO4與Fe3+可生成無色配合物Fe2（HPO4）3，可以消除Fe3+的影響，同時降低，使化學計量點的電位突躍增大，與Fe2+反應更完全，指示劑能較好地顯色。

（2）實驗結果表明，在反應過程中，游離H2SO4的濃度較高時FeSO4·7H2O溶解度較小，FeSO4被氧化的速率顯著下降，并且不能很好地形成PFS；只有當酸度較低時，才有利于FeSO4的氧化并形成PFS，但酸度過低，FeSO4在被氧化前易發生水解反應生成淺綠色或白色的Fe（OH）2沉淀，較合適的酸度條件為：。

（3）20℃時每100g水能溶解40gPFS，其密度大于1.45g·L-1；25℃時，密度約為1.24g·L-1。

（4）20℃時黏度為11～13mPa·s。

（5）溶液中Fe2+含量不應大于1g·L-1。

思考題

（1）在滴定Fe2+時能否多加一些二苯胺磺酸鈉？

（2）在滴定Fe2+過程中，加入濃H3PO4后為什么要迅速滴定？