铁氧体沉淀法

　　铁氧体简介

　　铁氧体(Ferrite)是指一类具有一定晶体结构的复合氧化物，它具有高的导磁率和高的电阻率(其电阻比铜大10～10倍)，是一种重要的磁性介质。其制造过程和机械性能颇类似陶瓷品，因而也叫磁性瓷。跟陶瓷质一样，铁氧体不溶于酸、碱、盐溶液，也不溶于水。铁氧体的磁性强弱及其他特性，与其化学组成和晶体结构有关。

　　铁氧体的晶格类型有七种，其中尖晶石型铁氧体最为人们所熟悉。因为尖晶石型铁氧体的制备原料易得，方法成熟，进入晶体晶格中的重金属离子种类多，形成的共沉淀物的化学性质稳定，表面活性大，吸附性能好，粒度均匀，磁性强，所以用铁氧体工艺处理含重金属污水时，多以生成尖晶石结构的铁氧化为主。

　　尖晶石型铁氧体的化学组成一般可用通式BO·A2O3表示。其中B代表二价金属，如Fe、Mg、Zn、Mn、Co、Ni、Ca、 Cu、Hg、Bi、Sn等，A代表三价金属，如Fe、Al、Cr、Mn、V、Co、Bi及Ga、As等。许多铁氧体中的A或B可能更复杂一些，如分别由两种金属组成，其通式为(BxB1-x)O·(AyA1-y)2O3。铁氧体有天然矿物和人造产品两大类，磁铁矿(其主要成本为Fe3O4或 FeO·Fe2O3)就是一种天然的尖晶石型铁氧体。

　　铁氧体沉淀法工艺分类

　　按产物生成过程不同，铁氧体沉淀法工艺可分为中和法和氧化法两种。

　　①中和法

　　中和法是先将Fe和铁盐溶液混合，在一定条件下用碱中和直接形成尖晶石型铁氧体。

　　②氧化法

　　氧化法是将亚铁离子和其他可溶性重金属离子溶液混合，在一定条件下用空气(或其他方法)部分氧化Fe，从而形成尖晶石型铁氧体。

　　例如用铁氧体法处理含铬废水时，就是采用氧化铁氧体法。在含铬废水中加入过量的硫酸亚铁溶液，使其中的正6价铬和亚铁离子发生氧化还原反应，Cr被还原为Cr，而亚铁离子则被氧化为Fe，调节溶液pH值，使Cr、Fe和Fe转化为氢氧化物沉淀，然后加入H2O2，再使部分Fe氧化为Fe，组成类似Fe3O4·xH2O的磁性氧化物，这种氧化物即为铁氧体，其组成也可写成Fe Fe[FeO4]·xH2O，其中部分Fe可被Cr代替，因此可使铬成为铁氧体的组分而沉淀出来。

　　工艺流程

　　铁氧体法处理重金属废水工艺是指向废水中投加铁盐，通过工艺条件的控制，使废水中的各种金属离子形成不溶性的铁氧体晶粒，再采用固液分离手段，达到去除重金属离子目的的方法叫铁氧体沉淀法。在铁氧体工艺过程澡也往往伴随着氧化还原反应，其工艺过程包括投加亚铁盐、调整pH值、充氧加热、固液分离、沉渣处理等五个环节。

　　①配料反应

　　为了形成铁氧体，通常要有足量的Fe和Fe。重金属废水中，一般或多或少地含有铁离子，但大多数满足不了生成铁氧体的要求，通常要额外补加铁离子，如投加硫酸亚铁和氯化亚铁等。投加二价铁离子的作用有三：a.补充Fe;b.通过氧化，补充Fe;c.如废水中有六价铬，则Fe能将其还原为Cr。作为形成铁氧体的原料之一;同时，Fe被六价铬氧化成 Fe，可作为三价金属离子的一部分加以利用。通常，可根据废水中重金属离子的种类及数量，确定硫酸亚铁的投加量。如在含铬废水形成的铬铁氧体中，Fe与 “Fe+Cr”之摩尔比为1：2;而在还原六价铬时Fe的耗量为3mol/mol(Cr)。因此，1mol的Cr所需的FeSO4为5mol(理论量)。亚铁盐的实际投量稍大于理论量，约为理论量的1.15倍。

　　② 加碱共沉淀

　　根据金属离子的种类不同，用氢氧化钠调整pH值至8~9。在常温及缺氧条件下，金属离子以M(OH)2及M(OH)3的胶体形成同时沉淀出来，如Cr(OH)3、Fe(OH)3、Fe(OH)2和Zn(OH)2等。必须注意，调整pH值时不可采用石灰，原因是它的溶解度小和杂质多，未溶解的颗粒及杂质混入沉淀中，会影响铁氧体的质量。

　　③ 充氧加热，转化沉淀

　　为了调整二价金属离子和三价金属离子的比例，通常要向废水中通入空气，使部分Fe(II)转化为Fe(III)。此处，加热可促使反应进行、氢氧化物胶体破坏和脱水分解，废水中其他金属氢氧化物的反应大致相同，二价金属离子占据部分Fe(II)的位置，三价金属离子占据部分Fe(III)的位置，从而使其他金属离子均匀地混杂到铁氧化晶格中去，形成特性各异的铁氧体。例如，Cr离子存在时形成铬铁氧体FeO(Fe1+xCr1-x)O3。

　　加热温度要注意控制，温度过高，氧化反应过快，会使Fe(II)不足而Fe(III)过量。一般认为加热至60～80℃，时间为 20min，比较合适。加热充氧的方式有二：一种是对全部废水加热充氧，另一种是先充氧，然后将组成调整好了的氢氧化物沉淀分离出来，再对沉淀物加热。

　　④ 固液分离

　　分离铁氧体沉渣的方法有四种：沉淀过滤、浮上分离、离心分离和磁力分离。由于铁氧体的相对密度比较大(4.4～5.3)，采用沉降过滤和离心分离都能获得较好的分离效果。

　　⑤ 沉渣处理

　　根据沉渣的组成、性能及用途不同，处理方式也各异：a.若废水的成分单纯、浓度稳定，则其沉渣可作为铁淦氧磁体的原料，此时，沉渣应进行水洗，除去硫酸钠等杂质;b.供制耐蚀瓷器;c.暂时堆置贮存。

　　工艺优缺点

　　铁氧体沉淀法具有如下优点：

　　①能一次脱除废水中的多种金属离子，出水水质好，能达到排放标准;

　　②设备简单、操作方便;

　　③硫酸亚铁的投量范围大，对水质的适应性强;

　　④沉渣易分离、易处置，对其综合利用不仅具有社会效益还有经济效益。铁氧体工艺沉渣可用于制造电视机偏转磁芯材料、硫流体、CO中温变化催化剂、导磁体、磁性标志物、电磁波吸收材料等。

　　该法存在的缺点是：

　　①不能单独回收有用金属;

　　②需消耗相当多的硫酸亚铁、一定数量的苛性钠及热能，且处理时间较长，使处理成本较高;

　　③出水中的硫酸盐含量高。

　　铁氧体工艺的应用

　　自铁氧体法处理重金属污水工艺问世后，国内外用该法对多种实际水体进行了处理研究，处理的重金属种类几乎覆盖全部重金属，去除程度因实际水体及工艺操作情况不同变化较大，含单一重金属污水处理后可达到各国污水排放标准，而多种重金属离子共存水体，所确定的工艺参数对各种重金属铁氧体的生成条件下具普遍性，使处理程度有别，个别离子可能达不到污水排放标准。

　　实际污水处理，考虑到各种物质的干扰，或其他物质的排放控制，需对污水进行前后处理，如有机物的氧化加热分解，泥沙柴草的去除等，对铁氧体工艺处理后的排放水进行铁氧体的固液分离方式有过滤、磁分离、离心、自然沉淀等。

　　目前铁氧体工艺倾向于与其他污水处理工艺相结合，互相取长补短，构成新的工艺，使重金属污水处理更趋完善，如GT(Galvanic Treatment)-铁氧体法、电解-铁氧体法、铁氧体-HGMS(High gradient magnatic separation)法、离子交换-铁氧体法、活性炭吸附-铁氧体法等。铁氧体处理重金属污水工艺的发展，经历了由单级向多级工艺复合发展;由复杂向简单化、连续化、集成化发展的过程。它的发展趋势除本身的完善外，与其他工艺的联合是必经之路。