聚合硫酸铁除氟效率受铁氟络合物形成制约的机制解析与性能提升策略

针对工业废水中氟化物去除难题，本研究通过Ferron定时比色法、Visual MINTEQ模拟和碱滴定技术，揭示了聚合硫酸铁(PFS)除氟过程中铁氟络合物形成的抑制机制。研究发现低pH下氟以HF形态存在并促进PFS絮体中单核铁释放，提出絮体吸附法可使除氟效率提升35%（最优条件pH=3.5，投加量2250 mg/L），为铁基混凝剂在工业废水除氟中的优化应用提供理论支撑。

　　

随着煤炭发电、铝制品加工和磷肥生产等工业活动加剧，含氟废水排放量激增。氟作为电负性最高（3.98）的卤族元素，其化合物在自然界多以难溶矿物形式存在，但工业排放导致水体中可溶性氟化物浓度超标，成人每日摄入超过4.2 mg即可能引发氟骨症。现有除氟技术如纳滤膜（NF）虽能实现98%去除率，却面临膜污染和成本高的瓶颈；铝基混凝剂虽有效但存在残留铝毒性风险。相比之下，聚合硫酸铁(PFS)因其无毒性和经济性展现出独特优势，但其除氟机制尚不明确。

山西某研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究中，创新性地结合Ferron定时比色法、Visual MINTEQ化学形态模拟和碱滴定技术，系统解析了PFS除氟过程中的关键限制因素。通过建立Boltzmann方程拟合的氟形态分布模型，发现低pH环境下氟主要以HF形态存在，其会促使PFS絮体中的单核铁(Fe_(a)
)释放为Fe³⁺
、FeSO₄
⁺
等形态，进而与氟形成稳定络合物，阻碍共沉淀除氟效率。

关键技术方法包括：采用Ferron试剂定时监测铁形态转化，通过Visual MINTEQ3.1模拟不同pH下氟物种分布，建立ISE（离子选择电极）实测数据与Boltzmann模型的拟合方程，并优化PFS絮体吸附工艺参数。

氟形态转化与分布模型
实验证实当pH>5.5时氟以F^?
为主导形态，而酸性条件下HF占比显著升高。通过Boltzmann函数拟合的方程y=1.00415+(?0.99715)/(1+exp(x?3.22))精确描述了pH对氟形态的影响规律。

铁-氟相互作用机制
碱滴定实验显示氟离子会解离PFS絮体中的Fe-OH键，促使单核铁释放并与氟形成Fe-F络合物，该过程使传统混凝除氟效率降低35%。而PFS絮体表面Fe羟基络合物提供的活性位点，可通过配体交换和静电吸附双重机制捕获F^?
。

性能优化验证
在pH=3.5、PFS投加量2250 mg/L条件下，絮体吸附法使氟浓度从20 mg/L降至5.58 mg/L，吸附容量达6.41 mg/g，较常规混凝提升35%。关键突破在于抑制了铁氟络合物生成，同时利用絮体表面Fe(OH)_x
基团与F^?
的专性结合。

该研究不仅揭示了PFS除氟的分子机制，更通过絮体吸附策略突破了传统铁基混凝剂的技术瓶颈。其意义在于：首次阐明铁氟络合物形成是限制PFS效率的主因；开发的优化工艺无需添加昂贵吸附剂即可显著提升性能；为工业废水除氟提供了兼具经济性和环境友好性的解决方案。研究数据支持PFS在电解铝、磷化工等高氟废水处理中的规模化应用，对推动水处理行业绿色转型具有重要价值。