高铁酸盐的电解合成、表征与应用

高培红, 郭孟狮, 周心艳, 王海霞

(1.西安交通大学 理学院,西安 710049; 2.西安热工研究院有限公司,西安 710048)

高铁酸盐的电解合成、表征与应用

高培红1, 郭孟狮2, 周心艳1, 王海霞1

(1.西安交通大学 理学院,西安 710049; 2.西安热工研究院有限公司,西安 710048)

为了寻找通过体验完整的科学研究过程的实验教学模式培养学生综合实验能力和创新能力的途径，结合科研实践，通过电化学法制备高铁酸盐，并对所制备高铁酸盐进行紫外光谱、红外光谱和X衍射表征及性能研究。结果显示所合成得高铁酸盐纯度较高，对污水处理有明显的效果。因此使用电化学法制备高铁酸盐，成本低，污染小，值得推广应用。

电化学合成； 高铁酸盐； 开放实验； 化学教学

0 引 言

国家中长期发展规划把提高高等学校教育质量，加强实践教育[1]作为一项重要内容。为培养具有扎实基本实验技能，综合素质高，有创新能力的人才,我们在选取开放性实验内容时，本着培养学生基本实验技能，培养综合能力，创新能力的目标，将最新科研成果作为实验内容,使学生接触科技前沿，掌握科学研究的基本思路和方法[2]。高铁酸盐作为一种绿色、无机、多功能的强氧化剂[3],由于其强氧化性、无毒性,在环境保护、有机合成、化学电源等领域有广泛的应用前景。高铁酸盐的合成方法主要有干式氧化法、湿式氧化法和电化学氧化法。干式氧化法有爆炸危险;湿式氧化法制备的高铁酸盐纯度不高；电化学法制备高铁酸盐简便、纯度高，近年来引起人们的极大兴趣。笔者应用廉价原材料开设了一个实用性强的综合研究性[4]实验。

高铁酸盐指铁的最高价态+6价所对应的含氧酸盐，是一类性能优异的绿色强氧化剂，同时也是一种集氧化、吸附、絮凝、杀菌于一体的新型高效多功能水处理剂，具有重要的研究开发和应用前景。高铁酸盐的化学法[5-6]制备产生大量氯气，对环境污染严重且对设备的要求比较高，操作繁琐工艺复杂。由于电解溶液产品的杂质含量较少，操作简便，消耗原材料少，电解合成高铁酸盐引起了广大研究者的兴趣。该综合性实验的设计体现了综合化学实验合成制备，分析表征，实际应用的特点。不仅使学生掌握电化学合成技术，还能提高运用化学基本原理和实验技能解决实际问题的能力。

1 实验原理

本文利用廉价铁丝网做阳极材料，探讨影响阳极液中高铁酸盐浓度的因素(碱度，碱种类，添加剂，电解时间)，以寻求电解制备较高浓度高铁酸盐的合适条件，测定所制备高铁酸盐的浓度；将高铁酸盐溶液浓缩制备成固体，测定红外光谱等性质进行结构表征。

将合成的高铁酸盐应用到酸性和碱性的甲基橙模拟的染料污水，通过分光光度法测定，探讨不同的高铁酸盐用量和不同的反应时间对处理效率的影响。

电解合成原理及装置图(见图1)如下：

阳极主极反应

副反应

阴极反应

总主反应

副反应

1-电解槽，2-阳极室，3-阴极室，4-细铁丝网，5-铁丝，6-阳离子膜，7-直流稳压稳流电源，8-电流表

图1 电解装置图

2 试剂及仪器

(1) 试剂。KOH，NaOH，K2CrO4，(NH4)2FeSO4，CrCl3，甲醇，环己烷，浓硫酸，浓磷酸，二苯胺磺酸钠。

(2) 仪器设备。紫外-可见分光光度计(UV2550)，日本岛津；可见分光光度计(722 s)，上海光谱仪器有限公司；X射线衍射仪XRD-6000，日本岛津；红外光谱仪FI-IR，美国Aicolet公司；电子天平；恒电流恒电压电位仪。

3 实验内容

(1) 电解法制备高铁酸盐。本实验采用阳极材料为4 cm×10 cm,阴极材料为普通铁丝，阳极电解液为40 mL，恒电流为0.3 A的实验参数，进行电解。其中阳极碱液是准确配制标定的。

将Na2FeO4阳极液过滤并冰冷。取20 mL滤液加入300 mL干净烧杯内，按照5 mL/min的速率加入10 mL饱和KOH溶液，在此期间用玻璃棒充分搅拌混合溶液，再按照8 mL/min的速率加入20 mL Na2FeO4滤液,保持溶液内部温度低于20 ℃,重复操作4次。加料后继续搅拌5 min,然后经布氏漏斗快速抽滤。所得滤饼每次以15 mL环己烷脱水5次,再以每次10 mL甲醇脱碱5次。所得晶体在80 ℃恒温烘箱中烘2 h后置于干燥广口瓶中保存。

(2) 高铁酸盐的测量。对高铁酸盐的测量采用分光光度法，在波长为502 nm处,使用1 cm比色皿测定吸光度值。经过绘制标准曲线，结果:①吸光光度法测定结果为0.349;②亚铬酸盐氧化还原法滴定高铁酸盐浓度值。该法采用间接滴定原理，先用高铁酸根将3价铬离子氧化为6价,用铁离子滴定6价铬。亚铁离子用标准的高铬酸钾反滴。方程式：

高铁酸盐浓度计算公式：

用高铬酸钾标定硫酸亚铁铵浓度，取10 mL硫酸亚铁铵溶液溶液加入10 mL的硫磷混酸，4或5滴配制的二苯胺磺酸钠溶液，紫色为终点。称取0.600 g硫酸亚铁铵配制成100 mL的溶液(约0.015 mol/L)称取六水三氯化铬1.332 g,量取3 mL的去离子水充分溶解，再用加热10 min饱和NaOH配制成25 mL的亚铬酸溶液。取2 mL的亚铬酸溶液加入300 mL的烧杯，加入10 mL的高铁酸盐溶液，充分搅拌，用1～3 mol/L的硫酸调节溶液至中性，冷却至室温加入10 mL硫磷混酸，加入4或5滴配制的二苯胺磺酸钠溶液。用硫酸亚铁铵溶液滴定，溶液变成亮绿色为终点。重复实验。实验所得数据如表1、2所示。

表1 重铬酸钾滴定硫酸亚铁铵数据处理表

表2 硫酸亚铁铵滴定高铁酸盐数据处理表

由表1、2实验结果计算高铁酸盐吸光系数为1 131 dm3/(mol·cm)，这与文献[7]提到的一致。而由于亚铬酸盐法操作比较繁琐，分光光度计法操作简便、快速，适应于直接检测出高铁酸盐浓度。因此通过亚铬酸盐滴定法的浓度校正吸光系数值为1 131 dm3/(mol·cm)，以后实验中均采用吸光度值表征高铁酸盐浓度。

(3) 高铁酸盐的表征。实验中安排了较多使用科研仪器设备的环节，让每位学生都有机会亲自操作。这一举措极大地激发了学生的实验兴趣。在实验中,对所制备的高铁酸盐进行表征。

①红外光谱结果与讨论。制备出的高铁酸盐固体以KBr压片得到的红外光谱图见图2。

图2 高铁酸钾的红外光谱图

图中:3 416.64 cm宽峰应是甲醇脱碱不彻底的羟基峰。其中880.55 cm，811.94 cm(870，816 cm[19])是高铁酸钾的特征谱;1 449.83 cm和1 109.49 cm可能是杂质峰。

②紫外可见光谱结果与讨论。6价高铁酸盐溶液的最大吸收波长为502 nm，此峰的峰形不对称，在561 nm处有一肩峰。如图3,高铁酸根离子在786 nm处还有一峰。这与文献[7]中的一致。且Fe(VI)在240 nm处有一强吸收峰,这是一个电子转移谱，摩尔吸光系数为5 500[8]，由于摩尔吸光系数很大，故此处的吸光度值很大(见图3)。同样在390 nm处有一强吸收峰，摩尔吸光系数为1 500。

图3 高铁酸盐的紫外可见光谱图

③XRD结果与讨论。经过对高铁酸盐固体进行X衍射分析，X衍射图如图4所示。

图4 高铁酸盐的XRD图

由图4可看出，高铁酸盐的特征峰为20.9， 29.2， 30.3， 30.7，34.4，35.4，38.1， 38.4， 44.6，40.1，64.9，77.9。与文献[9]中基本一致。

(4) 高铁酸盐处理废水。在不同的酸碱性条件下[10]用所制备的高铁酸盐处理甲基橙废水不同时间。结果表明，在酸性溶液中(pH1.5)，处理效率达到98.1%，反应时间对处理效率无影响。通过测定，表明高铁酸盐对污水处理[11]具有良好的效果。

4 结 语

高铁酸盐,以其独特的环境友好特性受到人们越来越多的重视,本文从制备,分析方法及应用方面作了研究。研究表明,电化学法所制备的高铁酸盐具有较高的纯度,对环境污染治理有明显的效果。高铁酸盐的其他性质，还有待于进一步研究。此外，实验以开放实验的形式进行,实验具有开放性[12-13]、研究性、探索性。培养了学生的实验操作技能，严谨的科学态度，对出现的问题又能分析解决，有利于创新型[14]人才的培养。

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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

西安交通大学教发中心基金(14027)

高培红(1973-)，女，河南荥阳人，工程师，主要从事化学实验教学。

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

G 642.423

A

1006-7167(2017)06-0025-03