高鐵酸鹽的電解合成、表征與應用

高培紅, 郭孟獅, 周心艷, 王海霞

(1.西安交通大學 理學院,西安 710049; 2.西安熱工研究院有限公司,西安 710048)

高鐵酸鹽的電解合成、表征與應用

高培紅1, 郭孟獅2, 周心艷1, 王海霞1

(1.西安交通大學 理學院,西安 710049; 2.西安熱工研究院有限公司,西安 710048)

為了尋找通過體驗完整的科學研究過程的實驗教學模式培養學生綜合實驗能力和創新能力的途徑，結合科研實踐，通過電化學法制備高鐵酸鹽，并對所制備高鐵酸鹽進行紫外光譜、紅外光譜和X衍射表征及性能研究。結果顯示所合成得高鐵酸鹽純度較高，對污水處理有明顯的效果。因此使用電化學法制備高鐵酸鹽，成本低，污染小，值得推廣應用。

電化學合成； 高鐵酸鹽； 開放實驗； 化學教學

0 引 言

國家中長期發展規劃把提高高等學校教育質量，加強實踐教育[1]作為一項重要內容。為培養具有扎實基本實驗技能，綜合素質高，有創新能力的人才,我們在選取開放性實驗內容時，本著培養學生基本實驗技能，培養綜合能力，創新能力的目標，將最新科研成果作為實驗內容,使學生接觸科技前沿，掌握科學研究的基本思路和方法[2]。高鐵酸鹽作為一種綠色、無機、多功能的強氧化劑[3],由于其強氧化性、無毒性,在環境保護、有機合成、化學電源等領域有廣泛的應用前景。高鐵酸鹽的合成方法主要有干式氧化法、濕式氧化法和電化學氧化法。干式氧化法有爆炸危險;濕式氧化法制備的高鐵酸鹽純度不高；電化學法制備高鐵酸鹽簡便、純度高，近年來引起人們的極大興趣。筆者應用廉價原材料開設了一個實用性強的綜合研究性[4]實驗。

高鐵酸鹽指鐵的最高價態+6價所對應的含氧酸鹽，是一類性能優異的綠色強氧化劑，同時也是一種集氧化、吸附、絮凝、殺菌于一體的新型高效多功能水處理劑，具有重要的研究開發和應用前景。高鐵酸鹽的化學法[5-6]制備產生大量氯氣，對環境污染嚴重且對設備的要求比較高，操作繁瑣工藝復雜。由于電解溶液產品的雜質含量較少，操作簡便，消耗原材料少，電解合成高鐵酸鹽引起了廣大研究者的興趣。該綜合性實驗的設計體現了綜合化學實驗合成制備，分析表征，實際應用的特點。不僅使學生掌握電化學合成技術，還能提高運用化學基本原理和實驗技能解決實際問題的能力。

1 實驗原理

本文利用廉價鐵絲網做陽極材料，探討影響陽極液中高鐵酸鹽濃度的因素(堿度，堿種類，添加劑，電解時間)，以尋求電解制備較高濃度高鐵酸鹽的合適條件，測定所制備高鐵酸鹽的濃度；將高鐵酸鹽溶液濃縮制備成固體，測定紅外光譜等性質進行結構表征。

將合成的高鐵酸鹽應用到酸性和堿性的甲基橙模擬的染料污水，通過分光光度法測定，探討不同的高鐵酸鹽用量和不同的反應時間對處理效率的影響。

電解合成原理及裝置圖(見圖1)如下：

陽極主極反應

副反應

陰極反應

總主反應

副反應

1-電解槽，2-陽極室，3-陰極室，4-細鐵絲網，5-鐵絲，6-陽離子膜，7-直流穩壓穩流電源，8-電流表

圖1 電解裝置圖

2 試劑及儀器

(1) 試劑。KOH，NaOH，K2CrO4，(NH4)2FeSO4，CrCl3，甲醇，環己烷，濃硫酸，濃磷酸，二苯胺磺酸鈉。

(2) 儀器設備。紫外-可見分光光度計(UV2550)，日本島津；可見分光光度計(722 s)，上海光譜儀器有限公司；X射線衍射儀XRD-6000，日本島津；紅外光譜儀FI-IR，美國Aicolet公司；電子天平；恒電流恒電壓電位儀。

3 實驗內容

(1) 電解法制備高鐵酸鹽。本實驗采用陽極材料為4 cm×10 cm,陰極材料為普通鐵絲，陽極電解液為40 mL，恒電流為0.3 A的實驗參數，進行電解。其中陽極堿液是準確配制標定的。

將Na2FeO4陽極液過濾并冰冷。取20 mL濾液加入300 mL干凈燒杯內，按照5 mL/min的速率加入10 mL飽和KOH溶液，在此期間用玻璃棒充分攪拌混合溶液，再按照8 mL/min的速率加入20 mL Na2FeO4濾液,保持溶液內部溫度低于20 ℃,重復操作4次。加料后繼續攪拌5 min,然后經布氏漏斗快速抽濾。所得濾餅每次以15 mL環己烷脫水5次,再以每次10 mL甲醇脫堿5次。所得晶體在80 ℃恒溫烘箱中烘2 h后置于干燥廣口瓶中保存。

(2) 高鐵酸鹽的測量。對高鐵酸鹽的測量采用分光光度法，在波長為502 nm處,使用1 cm比色皿測定吸光度值。經過繪制標準曲線，結果:①吸光光度法測定結果為0.349;②亞鉻酸鹽氧化還原法滴定高鐵酸鹽濃度值。該法采用間接滴定原理，先用高鐵酸根將3價鉻離子氧化為6價,用鐵離子滴定6價鉻。亞鐵離子用標準的高鉻酸鉀反滴。方程式：

高鐵酸鹽濃度計算公式：

用高鉻酸鉀標定硫酸亞鐵銨濃度，取10 mL硫酸亞鐵銨溶液溶液加入10 mL的硫磷混酸，4或5滴配制的二苯胺磺酸鈉溶液，紫色為終點。稱取0.600 g硫酸亞鐵銨配制成100 mL的溶液(約0.015 mol/L)稱取六水三氯化鉻1.332 g,量取3 mL的去離子水充分溶解，再用加熱10 min飽和NaOH配制成25 mL的亞鉻酸溶液。取2 mL的亞鉻酸溶液加入300 mL的燒杯，加入10 mL的高鐵酸鹽溶液，充分攪拌，用1～3 mol/L的硫酸調節溶液至中性，冷卻至室溫加入10 mL硫磷混酸，加入4或5滴配制的二苯胺磺酸鈉溶液。用硫酸亞鐵銨溶液滴定，溶液變成亮綠色為終點。重復實驗。實驗所得數據如表1、2所示。

表1 重鉻酸鉀滴定硫酸亞鐵銨數據處理表

表2 硫酸亞鐵銨滴定高鐵酸鹽數據處理表

由表1、2實驗結果計算高鐵酸鹽吸光系數為1 131 dm3/(mol·cm)，這與文獻[7]提到的一致。而由于亞鉻酸鹽法操作比較繁瑣，分光光度計法操作簡便、快速，適應于直接檢測出高鐵酸鹽濃度。因此通過亞鉻酸鹽滴定法的濃度校正吸光系數值為1 131 dm3/(mol·cm)，以后實驗中均采用吸光度值表征高鐵酸鹽濃度。

(3) 高鐵酸鹽的表征。實驗中安排了較多使用科研儀器設備的環節，讓每位學生都有機會親自操作。這一舉措極大地激發了學生的實驗興趣。在實驗中,對所制備的高鐵酸鹽進行表征。

①紅外光譜結果與討論。制備出的高鐵酸鹽固體以KBr壓片得到的紅外光譜圖見圖2。

圖2 高鐵酸鉀的紅外光譜圖

圖中:3 416.64 cm寬峰應是甲醇脫堿不徹底的羥基峰。其中880.55 cm，811.94 cm(870，816 cm[19])是高鐵酸鉀的特征譜;1 449.83 cm和1 109.49 cm可能是雜質峰。

②紫外可見光譜結果與討論。6價高鐵酸鹽溶液的最大吸收波長為502 nm，此峰的峰形不對稱，在561 nm處有一肩峰。如圖3,高鐵酸根離子在786 nm處還有一峰。這與文獻[7]中的一致。且Fe(VI)在240 nm處有一強吸收峰,這是一個電子轉移譜，摩爾吸光系數為5 500[8]，由于摩爾吸光系數很大，故此處的吸光度值很大(見圖3)。同樣在390 nm處有一強吸收峰，摩爾吸光系數為1 500。

圖3 高鐵酸鹽的紫外可見光譜圖

③XRD結果與討論。經過對高鐵酸鹽固體進行X衍射分析，X衍射圖如圖4所示。

圖4 高鐵酸鹽的XRD圖

由圖4可看出，高鐵酸鹽的特征峰為20.9， 29.2， 30.3， 30.7，34.4，35.4，38.1， 38.4， 44.6，40.1，64.9，77.9。與文獻[9]中基本一致。

(4) 高鐵酸鹽處理廢水。在不同的酸堿性條件下[10]用所制備的高鐵酸鹽處理甲基橙廢水不同時間。結果表明，在酸性溶液中(pH1.5)，處理效率達到98.1%，反應時間對處理效率無影響。通過測定，表明高鐵酸鹽對污水處理[11]具有良好的效果。

4 結 語

高鐵酸鹽,以其獨特的環境友好特性受到人們越來越多的重視,本文從制備,分析方法及應用方面作了研究。研究表明,電化學法所制備的高鐵酸鹽具有較高的純度,對環境污染治理有明顯的效果。高鐵酸鹽的其他性質，還有待于進一步研究。此外，實驗以開放實驗的形式進行,實驗具有開放性[12-13]、研究性、探索性。培養了學生的實驗操作技能，嚴謹的科學態度，對出現的問題又能分析解決，有利于創新型[14]人才的培養。

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Research on Electrolytic Synthesis, Characterization and Application of the Ferrate

GAOPeihong1,GUOMengshi2,ZHOUXinyan1,WANGHaixia1

(1. School of Science, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Xi’an Thermal Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710048, China)

In order to find a way to cultivate students’ comprehensive experiment ability and innovation ability through experiment teaching mode, combining the research practice, an experiment of electrochemical method for ferrate is designed. The ultraviolet spectrum, infrared spectroscopy and X-ray diffraction are applied to study the properties of the ferrate. The results show that the ferrate synthesized is of high purity and has obvious effects on wastewater treatment. Preparation of ferrate using electrochemical method has low cost, small pollution, and is worth promoting the application. The experiment greatly improves students’ comprehensive experiment ability.

electrolytic synthesis； ferrate； open experiment； chemistry teaching

2016-09-01

西安交通大學教發中心基金(14027)

高培紅(1973-)，女，河南滎陽人，工程師，主要從事化學實驗教學。

Tel.：029-82663913,13572178459;E-mail：phgao@mai.xjtu.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2017)06-0025-03