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聚合硫酸鐵是近幾年發展起來的一種無饑高分子絮凝劑，其分子式一般可表示為[Fe₂(OH)．(SO₄)₃-n/2]m，聚合硫酸鐵產品性能穩定，凈水效果優良，不含重金屬離子等有害物質，具有脫色、脫臭、脫油、除菌、脫除水中重金屬離子、放射性物質及致癌物質等多種功效，對低溫低濁度及高濁度原水凈化效果甚佳，使用方便、成本低廉等優點，其生產方法多種多樣，但都包括了氧化、水解和聚合等過程。若按氧化方式的不同來劃分，聚合硫酸鐵的生產方法主要可分為兩大類：
(1)直接氧化法，即采用強氧化劑直接將亞鐵離子氧化為鐵離子，再經水解和聚合而得到聚合硫酸鐵；
(2)催化氧化法，即在催化劑的作用下，利用空氣或氧氣將亞鐵離子氧化為鐵離子，同樣經水解和聚合而得到聚合硫酸鐵。直接氧化法因為氧化劑消耗量很大，成本過高，加之由氧化劑而引進的殘留物的分離費用較大，不分離又將影響產品的質量，所以難以工業化生產。目前，國內外工業化生產聚合硫酸鐵普遍采用催化氧化法，并且主要是選用亞硝酸鈉、硝酸等作為催化劑。在催化劑的作用下，硫酸亞鐵在酸性環境下經氧化、水解和聚合等過程即制得了一種棕紅色、粘稠狀液體聚合硫酸鐵。

考察聚合硫酸鐵產品質量的指標之一是鹽基度，其對應的鹽基度=n／6×100%，聚合硫酸鐵的鹽基度越高，即n值越大，產品聚合度m也越高，其形成的礬花越大，絮凝效果越好，絮體的沉降速度也越快，我國規定聚合硫酸鐵一級品的鹽基度必須達到12%以上，日本標準樣品的鹽基度規定為8.33～16.67%，而鹽基度很過16.67%的聚合硫酸鐵產品至今未見報導。因此，設法提高聚合硫酸鐵的鹽基度就成為改善產品質量的一條重要途徑。為此，我們采用封閉式反應釜和通氧的方法，研究了聚合硫酸鐵的生成機理。

2反應機理分析

以往的各種生產技術都無法高效益地生產出高鹽基度的聚合硫酸鐵產品，這是有其深刻的理論原因的，可以通過對聚合硫酸鐵的生產過程進行機理分析而加以說明。經過認真分析，發現無論選用何種催化劑，聚合硫酸鐵的生產過程主要發生以下三類反應：

2.1氯化反應

Fe2++NO(i+1)^-+2H^+=Fe^3++NOi+H20(i=1,2)(1)

2Fe^2++N203+2H^+=2Fe^3++2NO+H2O(2)

2Fe^2++N02+2H^+=2Fe^3+十NO+H2O(3)

2NO+02=2N02(4)

N02+NO=N203(5)

3NO2+H20=2H^++2NO3^-十NO(6)

N203+H20=2H++2NO2^-(7)

2.2水解反應

Fe^3++OH^-=Fe(OH)^2+(8)

Fe(OH)^2++OH^-=Fe(OH)2^+(g)

Fe(OH)2^++OH^-=Fe(OH)3(10)

2.3聚合反應

mFe2(oH)n(so4)3-n/2=[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m(11)

在反應初期，由于硫酸亞鐵的濃度較高，體系中的一氧化氮容易與其發生以下反應：

FeS04+NO=Fe(NO)SO4(12)

當反應快要結束時，由于硫酸亞鐵的濃度已經變得較低，反應(12)將向左邊進行，體系中將在短時間內放出大量的一氧化氮氣體，系統壓力激劇上升，其對應的反應方程式可簡單地表達如下：

4Fe(NO)SO4+4H^++O2=4Fe^3++4NO+4S04^-+2H20(13)

從以上的反應方程式(1)～(ll)可以看出，要有效地減少催化劑及氧化劑的用量，基本消除反應過程中放出氮的氧化物．就必須營造一種有利于反應(2)～(7)進行的條件，尤其要有利于氣相反應(4)～(7)的進行，要保證在較終的產品混合物中不出現氫氧化鐵沉淀的前提下，產品的鹽基度盡可能高，就必須設法阻止反應cio)的發生，同時令反應(8)和(9)順利進行。

由于氫氧化鐵的溶度積非常小，[Fe^3+][OH^-]^3=4×10^-38(20℃)，在溶液中很容易出現沉淀。在聚合硫酸鐵的生產過程中，要保證在較終的產品混合物中不出現氫氧化鐵沉淀，就必須設法降低鐵離子(Fe^3+)或氧氧根離子(OH^-)的活度。降低鐵離子的活度可以通過協調氧化反應、水解反應和聚合反應的速度來實現．使氧化反應生成的鐵離子及時地變為含鐵的無機高分子；也可通過降低總鐵含量來降低鐵離子的活度，但因為產品對總鐵含量具有一定的要求，所以想要大幅度降低鐵離子的活度是不太現實的。降低氫氧根離子的活度可以通過投加更多的酸來實現，但結果將會降低產品的鹽基度。在不降低產品鹽基度的前提下，要有效地降低氫氧根離子的活度只能通過降低氫氧根離子的活度系數來實現。

反應(12)和反應(13)雖然對聚合硫酸鐵的生成沒有起到什么作用，但卻是二個非常有用的反應：反應(12)的產物Fe(NO)SO4是一種褐色絡合物，假如反應(1)～(ll)進行得不完全，則在產品混和物中必然殘留有Fe(NO)S04,產品發黑；只有當反應(1)～(ll)進行得很完全的時候．產品才會棕紅透亮。反應(13)的發生意味著反應(1)～(11)進行得很完全，可以明顯感覺到系統壓力的升高，并看到黃煙的急速排出，這是停止設備運行的較明顯，較重要的信號。

3反應機理的證明

以上的機理分析是否恰當，可以有多種方法加以證明。以下僅從反應動力學的角度對此進行定性說明。

氧化反應主要包括七個具體反應，其中反應(1)是液相氧化反應，也是較基本的氧化反應；反應(2)與(3)是氣液兩相氧化反應，這兩個反應在常溫常壓下不容易發生，但在一定的溫度與壓力條件下卻很容易進行。而反應(4)～(7)則是普通的氣相反應，是氮的氧化物的深層氧化，在一定的溫度與壓力條件下能夠以較快的速度進行。另外，我們曾經對反應釜的尾氣進行了化驗，發現氣相中存在三種氨的氧化物。這從另一角度也證明了氧化反應(1)～(7)同時存在。當然，反應體系可能還存在更多的氧化反應，但至少可以說這幾個反應是較主要的反應。

水解反應是當然的反應，盡管從理論上來說亞鐵離子也可能會發生水解反應，但由于反應體系的酸度很高(pH<1.0)．實際上亞鐵離子是不大可能發生水解反應的。

聚合反應也是當然的反應。實際上，反應(ll)是一個總表達式，聚合度是一步步增大的，聚合度m只表示聚合硫酸鐵的襲觀聚合程度。

絡合反應(12)在一般的化學手冊中部有介紹。我們對反應系統進行過連續監測，結果發現不管何時采樣或采用何種生產工藝和生產方法，只要是系統尚未向外急速排出黃煙（氮的氧化物），樣品混和物中就存在褐色絡合物Fe(NO)SO4。這其實也同時證明了反應(13)的存在。

事實上，根據以上的機理分析，作者已經發明了一種全新的聚合硫酸鐵的生產方法和生產工藝，在保證較終混和物中不出現氫氧化鐵沉淀的前提下，使產品聚合硫酸鐵的鹽基度達到20%以上，大大地提高了產品的質量。

4結束語

聚合硫酸鐵是一種大有前途的無機高分子絮凝劑，對其進行深入研究，可望從理論上發現新的生產方法和生產工藝，顯著地強化它的性能。聚合硫酸鐵的生產成本不及堿式氯化鋁的一半，而其絮凝效果卻比堿式氯化鋁還要更加優越。雖然當前我國各大自來水廠還都選用堿式氯化鋁作為凈水劑，但一則國際上已經普遍限制鋁系絮凝劑的使用，因為鋁系絮凝荊對人體健康有害；二則聚合硫酸鐵（尤其是改性聚合硫酸鐵）的性能優越，價格低廉，且不會對人體產生損害。所以，不久的將來（改性）聚合硫酸鐵將必然地要取代堿式氯化鋁，在水的凈化方面發揮重要作用。