專利名稱：一種電解制備高鐵酸鉀的裝置及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水處理藥劑制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)使涉及一種電解制備高鐵酸鉀
的裝置及其制備方法。
背景技術(shù)：
高鐵酸鹽是一種由六價(jià)鐵酸根和金屬離子組成的鹽類，其通式為MxFe04。高鐵酸鹽在整個(gè)pH范圍內(nèi)具有極強(qiáng)的氧化性，可以降解水中一系列有機(jī)污染物，其還原產(chǎn)物Fe"和Fe(0H)3，具有吸附絮凝作用，對(duì)環(huán)境無(wú)毒副作用，因此它作為一種集氧化、絮凝、殺菌消毒于一體的多功能綠色水處理化學(xué)藥劑日益受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。不僅如此，以高鐵酸鹽為陰極材料的超鐵電池以其容量大、充電性好、導(dǎo)電性強(qiáng)、環(huán)境友好等特質(zhì)而備受關(guān)注；而在有機(jī)合成領(lǐng)域，高鐵酸鹽被認(rèn)為是一種環(huán)境友好的選擇性氧化劑，它被證明能夠有效地選擇性氧化有機(jī)化合物的某些功能團(tuán)，將為有機(jī)合成工業(yè)提供一種更加清潔的工藝。
目前高鐵酸鹽主要有3種制備方法高溫熔融氧化法、次氯酸鹽氧化法和電解法。
高溫熔融氧化法——利用堿金屬的硝酸鹽、氧化物、過(guò)氧化物或氫氧化物在高溫高壓的條件下與鐵鹽(Fe203)熔融反應(yīng)生成高鐵酸鹽。這項(xiàng)綠色技術(shù)能使鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的各種氧化鐵廢料循環(huán)使用，因此近來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。但是由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高快，容易引起爆炸，故需嚴(yán)格控制操作條件。該法比較危險(xiǎn)且難于實(shí)現(xiàn)，目前很少采用。 次氯酸鹽氧化法——在強(qiáng)堿溶液(NaOH)中用高濃度次氯酸鹽(NaClO，約18% )氧化三價(jià)鐵離子可以制得高鐵酸根離子，然后向含高鐵酸鹽的溶液中加入過(guò)量氫氧化鉀(KOH)，將其轉(zhuǎn)化成高鐵酸鉀(K2Fe04)。雖然此法提供了一種設(shè)備成本低、快速大量制備高鐵酸鉀的合成途徑，然而它卻存在兩大缺點(diǎn)。首先，要獲得高濃度次氯酸鹽溶液，制備過(guò)程中需要使用有毒危險(xiǎn)氣體——氯氣，不僅設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，而且不可避免地對(duì)環(huán)境造成污染，高濃度含氯廢液的處置也是有待解決的一個(gè)問(wèn)題；第二，產(chǎn)生的高鐵酸根離子容易受雜質(zhì)離子(如過(guò)渡金屬)的影響而分解，因此該法要求使用高純度的試劑(近飽和的NaOH、KOH溶液)，成本相當(dāng)高。 電解法是鐵陽(yáng)極在濃堿液中電解發(fā)生氧化反應(yīng)生成高鐵酸鹽，再加入KOH使之轉(zhuǎn)
化為K2Fe04作為固體沉淀下來(lái)。 陽(yáng)極反應(yīng)Fe+80H— — Fe042—+4H20+6e 陰極反應(yīng)2H20+2e — H2+20H— 總反應(yīng)為Fe+20H—+2H20 — Fe042—+3H2個(gè) 及2Fe3++100H— — Fe042—+2H20+3H2個(gè) Fe042—+2K+— K2Fe04 電解法與前2種方法相比，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、步驟精簡(jiǎn)、雜質(zhì)含量少、幾乎不產(chǎn)生污染等優(yōu)點(diǎn)，值得深入研究。電解液的成分和濃度、隔膜材料、電解時(shí)間、電解溫度和電流密度等因素會(huì)影響電流效率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電解制備高鐵酸鉀的裝置，可以提高產(chǎn)量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種電解制備高鐵酸鉀的裝置，包括
電解槽，其特征在于該電解槽的兩端分別為恒溫槽，電解槽中部設(shè)有陰極室槽，不銹鋼板作
為陰極插入陰極室槽，陰極室槽兩邊分別設(shè)有一個(gè)陽(yáng)極室槽，鐵板作為陽(yáng)極插入電解槽的
陽(yáng)極室槽內(nèi)，陰極室槽和陽(yáng)極室槽之間通過(guò)隔膜隔開(kāi)。隔膜材料為2 3mm厚的聚偏氟乙
烯膜，該聚偏氟乙烯膜的微孔孔徑為1 2 ii m。不銹鋼板位于陰極室槽的中部，鐵板位于陽(yáng)
極室槽和恒溫槽的連接處，鐵板的內(nèi)側(cè)設(shè)有螺旋環(huán)繞的冷卻管。 本發(fā)明的另一目的在于提供一種電解制備高鐵酸鉀方法，可以提高產(chǎn)量。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種電解制備高鐵酸鉀方法，包括以
下步驟 a.在電解槽中加入電解液，所述電解槽的兩端分別為恒溫槽，電解槽中部設(shè)有陰極室槽，不銹鋼板作為陰極插入陰極室槽，陰極室槽兩邊分別設(shè)有一個(gè)陽(yáng)極室槽，鐵板作為陽(yáng)極插入電解槽的陽(yáng)極室槽內(nèi)，陰極室槽和陽(yáng)極室槽之間通過(guò)隔膜隔開(kāi)，隔膜材料為2 3mm厚的聚偏氟乙烯膜，該聚偏氟乙烯膜的微孔孔徑為1 2 ii m，不銹鋼板位于陰極室槽的中部，鐵板位于陽(yáng)極室槽和恒溫槽的連接處，鐵板的內(nèi)側(cè)設(shè)有螺旋環(huán)繞的冷卻管，陽(yáng)極電解液為14 16mol/L的NaOH溶液(摻加過(guò)碳酸鈉至0. 015 0. 025mol/L)，陰極電解液為2 4mol/L的NaOH溶液，冷卻管內(nèi)通入冷卻水以保持電解液溫度在30 40°C，并通入單位流量0. 005 0. 01NmVL *h的N2以攪拌混勻陽(yáng)極電解液，且形成一氣層隔開(kāi)電解液與空氣，在陽(yáng)極和陰極之間加以7 8V直流電進(jìn)行電解制備高鐵酸鈉； b.反應(yīng)2 3小時(shí)后，取出陽(yáng)極室槽中的陽(yáng)極液，通過(guò)冰水浴冷卻后，向其中加入飽和KOH溶液，其中陽(yáng)極液與飽和KOH溶液體積比為3 : l，攪拌使其混勻后，于冰水浴環(huán)境下靜置陳化30分鐘，最后進(jìn)行抽濾干燥得到高鐵酸鉀成品。 本發(fā)明中，所用的隔膜材料和電解液組成進(jìn)行了選擇和改進(jìn)。本發(fā)明為大規(guī)模、多元化生產(chǎn)高鐵酸鹽提供了一條可行的新途徑。本發(fā)明利用摻加物對(duì)電解反應(yīng)的影響，選用了合適的隔膜材料，提高了高鐵酸鹽的制備效率。實(shí)驗(yàn)采用了最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)裝置和反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)了以最低的能耗生產(chǎn)出濃度最高的高鐵酸鈉；然后利用高鐵酸鉀在濃堿中溶解度下的特點(diǎn)將其結(jié)晶析出固體，并干燥保存，解決了高鐵酸鹽在濕潤(rùn)環(huán)境中不穩(wěn)定的問(wèn)題。本發(fā)明為制備高鐵酸鹽的工業(yè)化提供了一套切實(shí)可行的方案。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單無(wú)污染，可快速方便的制得高鐵酸鉀。
圖1為電解制備高鐵酸鉀的裝置的上方剖視圖
圖2為本發(fā)明的工藝流程示意圖
圖3為產(chǎn)物的紅外光譜
具體實(shí)施例方式
—種電解制備高鐵酸鉀的裝置，包括電解槽，其特征在于該電解槽的兩端分別為恒溫槽4、5，電解槽中部設(shè)有陰極室槽1，不銹鋼板6作為陰極插入陰極室槽l，陰極室槽1兩邊分別設(shè)有一個(gè)陽(yáng)極室槽2、3，鐵板7作為陽(yáng)極插入電解槽的陽(yáng)極室槽2、3內(nèi)，陰極室槽1和陽(yáng)極室槽2、3之間通過(guò)隔膜8隔開(kāi)，隔膜8材料為2 3mm厚的聚偏氟乙烯膜，該聚偏氟乙烯膜的微孔孔徑為1 2iim。不銹鋼板6位于陰極室槽1的中部，鐵板7位于陽(yáng)極室槽2、3和恒溫槽4、5的連接處，鐵板7的內(nèi)側(cè)設(shè)有螺旋環(huán)繞的冷卻管9。
—種電解制備高鐵酸鉀方法，包括以下步驟 a.在電解槽中加入電解液，所述電解槽的兩端分別為恒溫槽4、5，電解槽中部設(shè)有陰極室槽l，不銹鋼板6作為陰極插入陰極室槽1，陰極室槽1兩邊分別設(shè)有一個(gè)陽(yáng)極室槽2、3，鐵板作為陽(yáng)極插入電解槽的陽(yáng)極室槽2、3內(nèi)，陰極室槽1和陽(yáng)極室槽2、3之間通過(guò)隔膜8隔開(kāi)，隔膜8材料為2 3mm厚的聚偏氟乙烯膜，該聚偏氟乙烯膜的微孔孔徑為1 2 ii m，不銹鋼板6位于陰極室槽1的中部，鐵板7位于陽(yáng)極室槽2、3和恒溫槽4、5的連接處，鐵板7的內(nèi)側(cè)設(shè)有螺旋環(huán)繞的冷卻管9，陽(yáng)極電解液為14 16mol/L的NaOH溶液(摻加過(guò)碳酸鈉至0. 015 0. 025mol/L)，陰極電解液為2 4mol/L的NaOH溶液，冷卻管內(nèi)通入冷卻水以保持電解液溫度在30 40°C ，并通入單位流量0. 005 0. 01Nm3/L h的N2以攪拌混勻陽(yáng)極電解液，且形成一氣層隔開(kāi)電解液與空氣，在陽(yáng)極和陰極之間加以7 8V直流電進(jìn)行電解制備高鐵酸鈉； b.反應(yīng)2 3小時(shí)后，取出陽(yáng)極室槽中的陽(yáng)極液即高鐵酸鈉溶液，通過(guò)冰水浴冷卻后，向其中加入飽和KOH溶液，其中陽(yáng)極液與飽和KOH溶液體積比為2. 5 3. 5 : l，攪拌使其混勻后，于冰水浴環(huán)境下靜置陳化30分鐘，最后進(jìn)行抽濾干燥得到高鐵酸鉀成品。
以下是4個(gè)對(duì)比試驗(yàn) 實(shí)施例1，配置15mol/L的Na0H溶液，作為陽(yáng)極電解液，3mol/L的Na0H溶液為陰極電解液，控制電解液溫度為30 4(TC，外加電壓為7V，電解3h后得到高鐵酸鈉濃度為20.lg/L。 實(shí)施例2，配置15mol/L的Na0H溶液，其中過(guò)碳酸鈉物質(zhì)的量濃度為0. 02mol/L，作為陽(yáng)極電解液，3mol/L的Na0H溶液為陰極電解液，控制電解液溫度為30 40°C ，外加電壓為7V，電解3h后得到高鐵酸鈉濃度為24. 2g/L。 實(shí)施例3，采用全氟磺酸離子膜，以15mol/L的Na0H溶液，其中過(guò)碳酸鈉物質(zhì)的量濃度為0. 02mol/L作為陽(yáng)極電解液，3mol/L的Na0H溶液為陰極電解液，控制電解液溫度為30 4(TC，外加電壓為7V，電解3h。采用全新隔膜時(shí)，得到高鐵酸鈉濃度為25.6g/L。隔膜使用3個(gè)月后，得到高鐵酸鈉濃度為14. 2g/L，下降了 29. 4%。 實(shí)施例4，采用聚偏氟乙烯膜，以15mol/L的Na0H溶液，其中過(guò)碳酸鈉物質(zhì)的量濃度為0. 02mol/L作為陽(yáng)極電解液，3mol/L的Na0H溶液為陰極電解液，控制電解液溫度為30 4(TC，外加電壓為7V，電解3h。采用全新隔膜時(shí)，得到高鐵酸鈉濃度為26. lg/L。隔膜使用3個(gè)月后，得到高鐵酸鈉濃度為20. 3g/L，下降了 16. 1%。 實(shí)施例采用分析純Na0H和過(guò)碳酸鈉作為原料，采用平板式隔膜電解槽電解制備高鐵酸鈉。通過(guò)實(shí)例1和實(shí)例2的比較，可看出控制其他條件一致，陽(yáng)極電解液摻加過(guò)碳酸鈉后相比純Na0H溶液，高鐵酸鈉生成量提高了 20. 4% 。 —般電解試驗(yàn)采用的為全氟磺酸離子膜或全氟羧酸離子膜，這類陽(yáng)離子交換膜能有效防止高鐵酸根進(jìn)入陰極室，利于提高高鐵酸鈉濃度，但由于高鐵酸鹽的制備是在濃堿
5環(huán)境下，陽(yáng)極電解液NaOH濃度達(dá)到14 16mol/L，并且高鐵酸根具有很強(qiáng)的氧化性，隔膜 容易被破壞，起泡發(fā)裂，影響反應(yīng)的效率。而本發(fā)明采用的聚偏氟乙烯膜(PVDF)，是偏氟乙 烯均聚物或者偏氟乙烯與其他少量含氟乙烯基單體的共聚物?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)中以F-C化合鍵結(jié) 合，這種具有短鍵性質(zhì)的結(jié)構(gòu)與氫離子形成最穩(wěn)定牢固的結(jié)合。具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、 耐高溫性、耐氧化性。而實(shí)驗(yàn)證明由于高鐵酸根結(jié)構(gòu)較大，膜的孔徑小于2ym時(shí)就可有效 阻止高鐵酸根進(jìn)入陰極室。本實(shí)驗(yàn)中，采用PVDF膜不僅有效傳遞了電流，阻礙了陽(yáng)極、陰極 電解液的混合，還經(jīng)久耐用。通過(guò)實(shí)例3和實(shí)例4的比較，可看出采用聚偏氟乙烯膜，隔膜 使用3個(gè)月后，得到高鐵酸鈉濃度較高。 陽(yáng)極電解液中摻加了少量過(guò)碳酸鈉。過(guò)碳酸鈉溶于溶液中，由于過(guò)碳酸根的氧化 性，可有效提高鐵陽(yáng)極的活性，一方面使得Fe更容易失去電子被氧化生成六價(jià)鐵鹽，促進(jìn) 反應(yīng)進(jìn)行；另一方面，可以緩解鐵陽(yáng)極的鈍化，消減反應(yīng)進(jìn)行的障礙，同樣促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。 同時(shí)，過(guò)碳酸鈉的加入還可減少陽(yáng)極的析氧反應(yīng)，這些作用都有利于為生成高濃度的高鐵 酸鈉溶液。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)摸索出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)電壓、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間，控制好這些反應(yīng)條件即可 有效制備出高鐵酸鹽用于各應(yīng)用領(lǐng)域。 圖3為產(chǎn)物的紅外光譜。圖出現(xiàn)的吸收峰為806. 3cm—、通過(guò)查看Excel數(shù)據(jù)得 到)，即為高鐵酸鉀的特征峰(文獻(xiàn)值為806cm—1左右)，是高鐵酸鉀晶體中Fe-0鍵的伸縮 振動(dòng)的特征峰。
權(quán)利要求
一種電解制備高鐵酸鉀的裝置，包括電解槽，其特征在于該電解槽的兩端分別為恒溫槽，電解槽中部設(shè)有陰極室槽，不銹鋼板作為陰極插入陰極室槽，陰極室槽兩邊分別設(shè)有一個(gè)陽(yáng)極室槽，鐵板作為陽(yáng)極插入電解槽的陽(yáng)極室槽內(nèi)，陰極室槽和陽(yáng)極室槽之間通過(guò)隔膜隔開(kāi)。
2. 如權(quán)利要求1所述的電解制備高鐵酸鉀的裝置，其特征在于隔膜材料為2 3mm厚 的聚偏氟乙烯膜，該聚偏氟乙烯膜的微孔孔徑為1 2ym。
3. 如權(quán)利要求2所述的電解制備高鐵酸鉀的裝置，其特征在于不銹鋼板位于陰極室槽 的中部，鐵板位于陽(yáng)極室槽和恒溫槽的連接處，鐵板的內(nèi)側(cè)設(shè)有螺旋環(huán)繞的冷卻管。
4. 一種電解制備高鐵酸鉀方法，包括以下步驟a. 在電解槽中加入電解液，所述電解槽的兩端分別為恒溫槽，電解槽中部設(shè)有陰極室 槽，不銹鋼板作為陰極插入陰極室槽，陰極室槽兩邊分別設(shè)有一個(gè)陽(yáng)極室槽，鐵板作為陽(yáng)極 插入電解槽的陽(yáng)極室槽內(nèi)，陰極室槽和陽(yáng)極室槽之間通過(guò)隔膜隔開(kāi)，不銹鋼板位于陰極室 槽的中部，鐵板位于陽(yáng)極室槽和恒溫槽的連接處，鐵板的內(nèi)側(cè)設(shè)有螺旋環(huán)繞的冷卻管，陽(yáng)極 電解液為14 16mol/L的NaOH溶液(摻加過(guò)碳酸鈉至0. 015 0. 025mol/L)，陰極電解液 為2 4mol/L 的NaOH溶液，冷卻管內(nèi)通入冷卻水以保持電解液溫度在30 4(TC，并通 入單位流量0. 005 0. 01NmVL *h的N2以攪拌混勻陽(yáng)極電解液，且形成一氣層隔開(kāi)電解液 與空氣，在陽(yáng)極和陰極之間加以7 8V直流電進(jìn)行電解制備高鐵酸鈉；b. 反應(yīng)2 3小時(shí)后，取出陽(yáng)極室槽中的陽(yáng)極液，通過(guò)冰水浴冷卻后，向其中加入飽和 K0H溶液，其中陽(yáng)極液與飽和K0H溶液體積比為3 : l，攪拌使其混勻后，于冰水浴環(huán)境下靜 置陳化30分鐘，最后進(jìn)行抽濾干燥得到高鐵酸鉀成品。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種電解制備高鐵酸鉀方法，其特征在于隔膜材料為2 3mm 厚的聚偏氟乙烯膜，該聚偏氟乙烯膜的微孔孔徑為1 2ym。
全文摘要
本發(fā)明屬水處理藥劑制備技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種電解制備高鐵酸鹽的裝置及其制備方法。該方法以平板式電解槽為基礎(chǔ)進(jìn)行高鐵酸鹽的制備，向陽(yáng)極電解液NaOH溶液中加入適量的過(guò)碳酸鈉，并以小孔徑的聚偏氟乙烯膜(PVDF)為隔膜隔開(kāi)陽(yáng)極、陰極電解液；通過(guò)這些改進(jìn)，再控制適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)電壓、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間，可有效制得高濃度高鐵酸鈉溶液。再加入氫氧化鉀，制備得高鐵酸鉀。本發(fā)明操作簡(jiǎn)便，成本低廉，適合于大規(guī)模生產(chǎn)高鐵酸鹽。
文檔編號(hào)C25B1/14GK101713078SQ20091019613
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者侯惠奇, 孫曉, 張仁熙, 王國(guó)華 申請(qǐng)人:上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院;復(fù)旦大學(xué)