鐵氧體沉淀法

　　鐵氧體簡介

　　鐵氧體(Ferrite)是指一類具有一定晶體結構的復合氧化物，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。其制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，鐵氧體不溶于酸、堿、鹽溶液，也不溶于水。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。

　　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制備原料易得，方法成熟，進入晶體晶格中的重金屬離子種類多，形成的共沉淀物的化學性質穩定，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可能更復雜一些，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。

　　鐵氧體沉淀法工藝分類

　　按產物生成過程不同，鐵氧體沉淀法工藝可分為中和法和氧化法兩種。

　　①中和法

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

　　②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，就是采用氧化鐵氧體法。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轉化為氫氧化物沉淀，然后加入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淀出來。

　　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，再采用固液分離手段，達到去除重金屬離子目的的方法叫鐵氧體沉淀法。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于理論量，約為理論量的1.15倍。

　　② 加堿共沉淀

　　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的膠體形成同時沉淀出來，如Cr(OH)3、Fe(OH)3、Fe(OH)2和Zn(OH)2等。必須注意，調整pH值時不可采用石灰，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淀中，會影響鐵氧體的質量。

　　③ 充氧加熱，轉化沉淀

　　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，然后將組成調整好了的氫氧化物沉淀分離出來，再對沉淀物加熱。

　　④ 固液分離

　　分離鐵氧體沉渣的方法有四種：沉淀過濾、浮上分離、離心分離和磁力分離。由于鐵氧體的相對密度比較大(4.4～5.3)，采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

　　鐵氧體沉淀法具有如下優點：

　　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硫酸亞鐵的投量范圍大，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于制造電視機偏轉磁芯材料、硫流體、CO中溫變化催化劑、導磁體、磁性標志物、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。

　　鐵氧體工藝的應用

　　自鐵氧體法處理重金屬污水工藝問世后，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后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，需對污水進行前后處理，如有機物的氧化加熱分解，泥沙柴草的去除等，對鐵氧體工藝處理后的排放水進行鐵氧體的固液分離方式有過濾、磁分離、離心、自然沉淀等。

　　目前鐵氧體工藝傾向于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復合發展;由復雜向簡單化、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。