[发明专利]一种在线湿化学法制备高铁酸盐的工艺及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种无机化学材料的制备方法，特别是一种在线湿化学法制备高铁酸盐的工艺及装置。

背景技术

高铁酸盐由于铁的化合价为+6价而具有强氧化性，在碱性溶液中，其氧化还原电位为0.72V，在酸性该溶液中其氧化还原电位为2.2V。高铁酸盐具有广泛的应用，在有机合成中可以取代其它高毒性氧化物，选择性地氧化某些官能团，如可将伯醇和仲醇分别氧化为醛和酮。由于FeO₄^2-具有高放电容量，因此在电池领域内受到了极大的关注，有望能取代传统电池中的阴极材料。高铁酸盐还可以作为理想的磁记忆材料，制备以高铁酸盐为核心消毒剂的磁控释放体系等。通过控制高铁酸盐的分解速度还可以制备各种类型的羟基氧化铁作为近红外固体激光材料。在水处理应用中，高铁酸盐可以取代氯、臭氧、高锰酸钾等氧化剂，在氧化有机物过程中同时生成Fe(OH)₃。而Fe(OH)₃是水处理中常见的絮凝剂，具有很好的絮凝作用。相对于传统的水处理工艺，此过程无任何毒副产物生成，不引起二次污染，因此被誉为集氧化、絮凝、混凝和杀菌消毒于一体的高效绿色水处理剂。可见高铁酸盐具有广阔的应用前景。

天然高铁酸盐几乎不存在，因此高铁酸盐的制备方法及工艺条件成为了近年来研究的重要课题。生产高铁酸盐的方法通常有三种，原材料都很稳定易得。这些方法主要包括：（1）电化学法，（2）高温干燥氧化法，（3）室温湿氧化法。高温干燥氧化法，又称熔融法，是最早发现制备高铁酸盐的方法，它是指在苛性碱存在条件下，发生高温固相或熔融相反应，来制备高铁酸盐的方法。高温干燥氧化法反应条件苛刻，放热速度快容易引起爆炸事故，容易腐蚀设备，目前很少采用。电化学法也即电解法制备高铁酸盐，具备原材料易得、操作简便，所制得初级产品纯度高、副产物少等优点。但是电解法制备高铁酸盐工艺中也存在诸多问题，如产物浓度低、产率低和电流效率低，以及易受外界条件如温度、电流密度、电压影响等问题。

湿式氧化法，也称次氯酸盐氧化法自从1948 年由Schreyer提出后曾被认为是制备碱金属高铁酸盐的最好方法，制得的产品纯度可达到 96.9% ，但产率很低，不超过 15％。G.W.Thompson 等对上述方法从氧化与纯化两个过程进行了改进，以硝酸铁为原料，用饱和次氯酸钠氧化后，用KOH结晶，并对粗产品依次用苯、乙醇、乙醚洗涤处理，产品纯度可达 92%～96%，产率提高到 44%～76%，具体方程式如下。

具体反应如下：

Fe³⁺+3OH^-→Fe(OH)₃

2Fe(OH)₃+3NaClO+4NaOH → 2Na₂FeO₄+3NaCl+5H₂O

Na₂FeO₄+2KOH →K₂FeO₄+2NaOH

后来的湿式氧化法都是在此基础上的改进。可见，高铁酸盐氧化还原电位高，不稳定，而高铁酸钾晶体的获得也是一个繁琐的化学提纯过程。经研究钾钠混合碱法可制得更高浓度的次氯酸盐溶液,从而使铁盐溶液氧化反应快速完成，所得溶液比较稳定,过滤操作方便快捷，同时大大提高了 Fe(Ⅲ)向 Fe(Ⅵ)的转化率和 Fe(Ⅵ)的产率。也可将氯气直接通入 KOH 溶液中，制得的饱和次氯酸钾强碱性溶液使 Fe(Ⅲ)氧化成 Fe(Ⅵ)，绕过了中间产物高铁酸钠而直接制得高铁酸钾，同时简化了纯化步骤。为了提高高铁酸盐的稳定性，可以加入稳定剂如次氯酸盐、硅酸钠、氯化铜、碘化钾等，以防止制备液中高铁酸钠分解。

综上可知，尽管高铁酸盐被誉为“绿色”化学品，但制约它应用的主要有两个因素，一个是制备条件苛刻，成本高；另一个就它的不稳定性，潮湿状态下尤其不稳定。在水处理应用过程中发现，使用高铁酸钾晶体在水中溶解也是一个较为缓慢的过程，必须通过强力搅拌或射流喷射等方法才能加速其溶解，并且在溶解的过程中高铁酸钾的降解也很严重。可见高铁酸盐在现场生产更实际一些，而且用于水处理时，无需提纯成晶体，直接应用高铁酸盐溶液，能避免提纯再溶解这一重复工作造成的药剂和能量的浪费。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种结构合理，生产效率高，制备成本低的在线湿化学法制备高铁酸盐的装置，并提供科学合理，简便易行，稳定性好的在线湿化学法制备高铁酸盐的制工艺。