聚合硫酸鐵（Polyferric Sulfate, PFS）作為一種高效、廉價(jià)、無(wú)毒的無(wú)機(jī)高分子混凝劑，已成為給水、廢水處理領(lǐng)域的核心材料之一。與傳統(tǒng)低分子鐵鹽相比，其聚合形態(tài)賦予它更優(yōu)異的電中和、吸附架橋及網(wǎng)捕卷掃能力。隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格和水處理技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，聚合硫酸鐵的研究與應(yīng)用也在不斷深化。本文系統(tǒng)綜述了聚合硫酸鐵的制備方法、性能特性及其在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

一、 制備方法研究進(jìn)展：從傳統(tǒng)酸溶到綠色催化氧化

聚合硫酸鐵的制備核心在于將Fe²?氧化為Fe³?，并控制水解聚合反應(yīng)生成具有良好混凝效果的聚合形態(tài)（如Fe?(OH)???、Fe?(OH)???等）。其制備方法經(jīng)歷了從粗放到精準(zhǔn)的演變。

1. 傳統(tǒng)制備方法：

直接酸溶氧化法：以硫酸亞鐵（FeSO?·7H?O）為原料，加入濃硫酸和氧化劑（通常為NaClO?、H?O?或NaNO?），在加熱條件下進(jìn)行氧化聚合。

6FeSO? + NaClO? + 3H?SO? → 3Fe?(SO?)? + NaCl + 3H?O

該方法工藝簡(jiǎn)單，是早期的主流方法，但反應(yīng)劇烈、條件控制難、產(chǎn)品鹽基度低且可能引入氯離子等雜質(zhì)。

2. 現(xiàn)代改進(jìn)方法：

催化氧化法：這是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和主流工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。通過(guò)在反應(yīng)體系中引入催化劑（如NaNO?、H?PO?、Mn²?等），大幅提高了氧化效率和反應(yīng)速率，可在常溫常壓下進(jìn)行，降低了能耗，并能生產(chǎn)出高鹽基度的優(yōu)質(zhì)聚合硫酸鐵。其中，NaNO?催化體系較為成熟，但需注意控制亞硝胺等副產(chǎn)物的生成。

雙氧水（H?O?）綠色氧化法：

2FeSO? + H?O? + (1-n/2)H?SO? → Fe?(OH)?n(SO?)?-n/2 + (2-n)H?O

該工藝以H?O?為氧化劑，反應(yīng)速度快、條件溫和、無(wú)有害副產(chǎn)物，被譽(yù)為“綠色制備工藝”。其缺點(diǎn)是H?O?成本較高，但對(duì)產(chǎn)品純度要求高的場(chǎng)合很具優(yōu)勢(shì)。

固體廢棄物資源化制備法：秉承“以廢治廢”理念，利用富含鐵的工業(yè)副產(chǎn)物（如鈦白粉副產(chǎn)硫酸亞鐵、鋼廠酸洗廢液）作為原料制備聚合硫酸鐵。此方法不僅降低了生產(chǎn)成本，更實(shí)現(xiàn)了固體廢物的高值化利用，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的典型代表，具有很高的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3. 鹽基度（Basicity）的控制與提升：

鹽基度是衡量聚合硫酸鐵聚合程度和產(chǎn)品質(zhì)量的核心指標(biāo)，定義為OH與Fe的摩爾比。高鹽基度（8%-16%）的聚合硫酸鐵聚合度更高，混凝效果更好。提升方法包括：

緩慢加入堿性物質(zhì)（如CaCO?、NaOH、Na?CO?）參與反應(yīng)。

優(yōu)化氧化聚合過(guò)程的溫度和反應(yīng)時(shí)間。

引入催化劑促進(jìn)羥基橋聯(lián)。

二、 性能特性研究：從宏觀效能到微觀形態(tài)

1. 混凝機(jī)理與宏觀效能：

聚合硫酸鐵的混凝是電中和、吸附架橋和網(wǎng)捕沉淀三種作用機(jī)制的協(xié)同結(jié)果。其預(yù)水解形成的多核羥基絡(luò)合物能快速中和膠體電荷，并通過(guò)高分子鏈狀結(jié)構(gòu)連接多個(gè)顆粒，形成巨大、密實(shí)、沉降速度快的絮體（礈花）。其在除濁、脫色、除COD（特別是去除膠體態(tài)有機(jī)物）方面表現(xiàn)卓越，除磷效果尤為突出（Fe³?與PO?³?生成很難溶的FePO?）。

2. 微觀形態(tài)分析與表征進(jìn)展：

傳統(tǒng)指標(biāo)（鹽基度、全鐵含量）已不足以完全表征其性能。現(xiàn)代研究借助多種先進(jìn)技術(shù)深入剖析其微觀形態(tài)：

Ferron逐時(shí)絡(luò)合比色法：將聚合硫酸鐵中的鐵物種分為三類：游離鐵（Fe?）、單體及低聚態(tài)鐵（Fe_b）、中等聚合態(tài)及溶膠態(tài)鐵（Fe_c）。Fe_b的含量與混凝效果呈正相關(guān)，是評(píng)價(jià)其有效性的關(guān)鍵微觀指標(biāo)。

光譜技術(shù)：紫外-可見光譜（UV-Vis） 中特定波長(zhǎng)下的吸光度與羥基橋聯(lián)結(jié)構(gòu)有關(guān)。傅里葉變換紅外光譜（FTIR） 可檢測(cè)Fe-OH-Fe鍵的特征吸收峰，證實(shí)聚合結(jié)構(gòu)的存在。

電鏡技術(shù)：透射電鏡（TEM） 可直觀觀察到聚合硫酸鐵的納米級(jí)線狀或網(wǎng)狀聚合結(jié)構(gòu)。

3. 優(yōu)勢(shì)性能總結(jié)：

適應(yīng)pH范圍寬（4-11），尤其適用于偏堿性水質(zhì)。

形成的礈花大而密實(shí)，沉降速度快。

低溫性能好，冬季低溫下混凝效率衰減遠(yuǎn)小于鋁鹽。

腐蝕性低于三氯化鐵（FC）。

處理后水中殘留鐵含量低，避免了鋁鹽的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。

三、 應(yīng)用研究進(jìn)展：從常規(guī)處理到新興領(lǐng)域

1. 市政與工業(yè)廢水處理：

市政污水深度除磷：作為深度處理單元（后置化學(xué)除磷）的藥劑首選，能穩(wěn)定將總磷（TP）降至0.5 mg/L甚至0.3 mg/L以下，是保障達(dá)標(biāo)排放的“王牌”技術(shù)。

工業(yè)廢水處理：廣泛應(yīng)用于印染廢水（脫色）、造紙廢水、含油廢水、礦山廢水、電鍍廢水（除重金屬）等領(lǐng)域，其高效脫色和去除重金屬的能力備受青睞。

2. 養(yǎng)殖廢水處理：

針對(duì)養(yǎng)殖廢水高SS、高COD、高磷的特點(diǎn)，聚合硫酸鐵作為預(yù)處理或深度處理藥劑，能有效去除懸浮物、膠體有機(jī)物和磷，減輕后續(xù)生化處理負(fù)荷，保障出水達(dá)標(biāo)。

3. 污泥調(diào)理：

聚合硫酸鐵作為污泥調(diào)理劑效果顯著。其正電荷能中和污泥顆粒的負(fù)電性，破壞膠體結(jié)構(gòu)，釋放內(nèi)部結(jié)合水，并通過(guò)絮凝作用增大污泥絮體尺寸，從而大幅改善污泥的脫水性能，降低污泥含水率，減少污泥體積。

4. 與其他技術(shù)/藥劑的聯(lián)用：

這是當(dāng)前應(yīng)用研究的前沿，旨在實(shí)現(xiàn)協(xié)同增效。

與聚丙烯酰胺（PAM）聯(lián)用：先投加聚合硫酸鐵發(fā)揮電中和與凝聚作用，再投加陰離子PAM（APAM）發(fā)揮強(qiáng)大的吸附架橋能力，形成更大、更結(jié)實(shí)的絮體。此組合常用于難處理廢水或節(jié)約聚合硫酸鐵投加量。

與氧化劑聯(lián)用：構(gòu)建混凝-氧化耦合工藝。例如，與臭氧（O?）、過(guò)硫酸鹽（PS）聯(lián)用，在處理高濃度難降解有機(jī)廢水時(shí)，氧化劑可破壞大分子有機(jī)物結(jié)構(gòu)，提高其可混凝性，聚合硫酸鐵則負(fù)責(zé)去除被破解的中間產(chǎn)物。

四、 挑戰(zhàn)與未來(lái)展望

盡管聚合硫酸鐵技術(shù)成熟，但仍面臨挑戰(zhàn)與發(fā)展機(jī)遇：

產(chǎn)品穩(wěn)定性：液態(tài)聚合硫酸鐵產(chǎn)品長(zhǎng)期存放存在進(jìn)一步水解甚至產(chǎn)生沉淀的風(fēng)險(xiǎn)，影響使用效果。開發(fā)高穩(wěn)定性液態(tài)聚合硫酸鐵或固態(tài)速溶型聚合硫酸鐵是方向之一。

精準(zhǔn)化與智能化：基于具體水質(zhì)特征，開發(fā)定制化、靶向性的聚合硫酸鐵產(chǎn)品（如復(fù)合型聚鐵、針對(duì)特定污染物的改性聚合硫酸鐵）。結(jié)合在線監(jiān)測(cè)與AI算法，實(shí)現(xiàn)投加的精準(zhǔn)閉環(huán)控制。

綠色制備深化：進(jìn)一步優(yōu)化以廢棄物為原料的制備工藝，降低能耗和物耗，開發(fā)全生命周期碳排放更低的生產(chǎn)技術(shù)。

作用機(jī)理深究：借助更先進(jìn)的原位表征技術(shù)，實(shí)時(shí)觀測(cè)聚合硫酸鐵與污染物界面的相互作用過(guò)程，從分子層面揭示混凝機(jī)制，為材料設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

聚合硫酸鐵歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，已從一種簡(jiǎn)單的混凝劑演變?yōu)橐粋€(gè)技術(shù)內(nèi)涵豐富的材料體系。通過(guò)制備方法的綠色化革新、性能表征的微觀化深入以及應(yīng)用場(chǎng)景的多元化拓展，聚合硫酸鐵持續(xù)煥發(fā)著活力。未來(lái)，隨著水處理行業(yè)對(duì)提質(zhì)增效、節(jié)能降耗和資源循環(huán)要求的不斷提高，聚合硫酸鐵必將在精準(zhǔn)混凝、智能投加和以廢治廢等領(lǐng)域扮演更加關(guān)鍵的角色，為水環(huán)境的持續(xù)改善提供堅(jiān)實(shí)可靠的技術(shù)支撐。