聚合硫酸鐵（Polyferric Sulfate, PFS）作為一種高效、廉價、無毒的無機高分子混凝劑，已成為給水、廢水處理領域的核心材料之一。與傳統低分子鐵鹽相比，其聚合形態賦予它更優異的電中和、吸附架橋及網捕卷掃能力。隨著環保要求的日益嚴格和水處理技術的持續發展，聚合硫酸鐵的研究與應用也在不斷深化。本文系統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用研究進展，并對其未來發展方向進行展望。

一、 制備方法研究進展：從傳統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生成具有良好混凝效果的聚合形態（如Fe?(OH)???、Fe?(OH)???等）。其制備方法經歷了從粗放到精準的演變。

1. 傳統制備方法：

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?），在加熱條件下進行氧化聚合。

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

該方法工藝簡單，是早期的主流方法，但反應劇烈、條件控制難、產品鹽基度低且可能引入氯離子等雜質。

2. 現代改進方法：

催化氧化法：這是當前的研究熱點和主流工業生產技術。通過在反應體系中引入催化劑（如NaNO?、H?PO?、Mn²?等），大幅提高了氧化效率和反應速率，可在常溫常壓下進行，降低了能耗，并能生產出高鹽基度的優質聚合硫酸鐵。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，反應速度快、條件溫和、無有害副產物，被譽為“綠色制備工藝”。其缺點是H?O?成本較高，但對產品純度要求高的場合很具優勢。

固體廢棄物資源化制備法：秉承“以廢治廢”理念，利用富含鐵的工業副產物（如鈦白粉副產硫酸亞鐵、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成本，更實現了固體廢物的高值化利用，是循環經濟的典型代表，具有很高的環境效益和經濟效益。

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品質量的核心指標，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（如CaCO?、NaOH、Na?CO?）參與反應。

優化氧化聚合過程的溫度和反應時間。

引入催化劑促進羥基橋聯。

二、 性能特性研究：從宏觀效能到微觀形態

1. 混凝機理與宏觀效能：

聚合硫酸鐵的混凝是電中和、吸附架橋和網捕沉淀三種作用機制的協同結果。其預水解形成的多核羥基絡合物能快速中和膠體電荷，并通過高分子鏈狀結構連接多個顆粒，形成巨大、密實、沉降速度快的絮體（礈花）。其在除濁、脫色、除COD（特別是去除膠體態有機物）方面表現卓越，除磷效果尤為突出（Fe³?與PO?³?生成很難溶的FePO?）。

2. 微觀形態分析與表征進展：

傳統指標（鹽基度、全鐵含量）已不足以完全表征其性能。現代研究借助多種先進技術深入剖析其微觀形態：

Ferron逐時絡合比色法：將聚合硫酸鐵中的鐵物種分為三類：游離鐵（Fe?）、單體及低聚態鐵（Fe_b）、中等聚合態及溶膠態鐵（Fe_c）。Fe_b的含量與混凝效果呈正相關，是評價其有效性的關鍵微觀指標。

光譜技術：紫外-可見光譜（UV-Vis） 中特定波長下的吸光度與羥基橋聯結構有關。傅里葉變換紅外光譜（FTIR） 可檢測Fe-OH-Fe鍵的特征吸收峰，證實聚合結構的存在。

電鏡技術：透射電鏡（TEM） 可直觀觀察到聚合硫酸鐵的納米級線狀或網狀聚合結構。

3. 優勢性能總結：

適應pH范圍寬（4-11），尤其適用于偏堿性水質。

形成的礈花大而密實，沉降速度快。

低溫性能好，冬季低溫下混凝效率衰減遠小于鋁鹽。

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險。

三、 應用研究進展：從常規處理到新興領域

1. 市政與工業廢水處理：

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

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

2. 養殖廢水處理：

針對養殖廢水高SS、高COD、高磷的特點，聚合硫酸鐵作為預處理或深度處理藥劑，能有效去除懸浮物、膠體有機物和磷，減輕后續生化處理負荷，保障出水達標。

3. 污泥調理：

聚合硫酸鐵作為污泥調理劑效果顯著。其正電荷能中和污泥顆粒的負電性，破壞膠體結構，釋放內部結合水，并通過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/藥劑的聯用：

這是當前應用研究的前沿，旨在實現協同增效。

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

與氧化劑聯用：構建混凝-氧化耦合工藝。例如，與臭氧（O?）、過硫酸鹽（PS）聯用，在處理高濃度難降解有機廢水時，氧化劑可破壞大分子有機物結構，提高其可混凝性，聚合硫酸鐵則負責去除被破解的中間產物。

四、 挑戰與未來展望

盡管聚合硫酸鐵技術成熟，但仍面臨挑戰與發展機遇：

產品穩定性：液態聚合硫酸鐵產品長期存放存在進一步水解甚至產生沉淀的風險，影響使用效果。開發高穩定性液態聚合硫酸鐵或固態速溶型聚合硫酸鐵是方向之一。

精準化與智能化：基于具體水質特征，開發定制化、靶向性的聚合硫酸鐵產品（如復合型聚鐵、針對特定污染物的改性聚合硫酸鐵）。結合在線監測與AI算法，實現投加的精準閉環控制。

綠色制備深化：進一步優化以廢棄物為原料的制備工藝，降低能耗和物耗，開發全生命周期碳排放更低的生產技術。

作用機理深究：借助更先進的原位表征技術，實時觀測聚合硫酸鐵與污染物界面的相互作用過程，從分子層面揭示混凝機制，為材料設計提供理論指導。

聚合硫酸鐵歷經數十年的發展，已從一種簡單的混凝劑演變為一個技術內涵豐富的材料體系。通過制備方法的綠色化革新、性能表征的微觀化深入以及應用場景的多元化拓展，聚合硫酸鐵持續煥發著活力。未來，隨著水處理行業對提質增效、節能降耗和資源循環要求的不斷提高，聚合硫酸鐵必將在精準混凝、智能投加和以廢治廢等領域扮演更加關鍵的角色，為水環境的持續改善提供堅實可靠的技術支撐。