CN101525754B

CN101525754B - 采用一步法电化学制备高铁酸钾固态粉末的方法

Info

Publication number: CN101525754B
Application number: CN2009100646889A
Authority: CN
Inventors: 何伟春
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: CN101525754A

Abstract

一种采用一步法电化学制备高铁酸钾固态粉末的方法，本发明提供了一种直接电化学制备高铁酸钾固态粉末的方法；采用隔膜式电解槽，在含有添加剂的浓氢氧化钾溶液中，以直流电流密度0.10～0.42A/dm²电解铁阳极，经过一步法可直接制备纯度94.0％～98.1％的高铁酸钾固体粉末，相应电流效率为79.6％～67.5％，耗电量为1.9～2.8kWh/(kg K₂FeO₄)。本发明制备的产品适用于作为高效水处理剂和有机合成的氧化剂以及碱性超铁电池的正极活性材料。本发明工艺可用于连续批量生产，效率高成本低，电解液可循环利用，对环境无污染。

Description

采用一步法电化学制备高铁酸钾固态粉末的方法

技术领域

本发明属于高铁酸盐的制备技术，具体是涉及一种采用一步法电化学制备高铁酸钾(K₂FeO₄)固态粉末的方法。

背景技术

高铁酸盐是一类性能优异的氧化剂。其中，K₂FeO₄(或Na₂FeO₄)作为水处理剂，具有氧化、吸附和絮凝去除污染物的协同功能以及比氯系氧化剂更强的杀菌消毒作用。其反应产物为氧化铁或氢氧化铁，不会引起二次污染，也不会破坏大气臭氧层，是取代现行氯气净水剂的最佳选择。K₂FeO₄及其它高铁酸盐作为氧化剂有许多独特的性能，对很多有机反应具有较高的选择性和广泛的适应性。K₂FeO₄或其它高铁酸盐作为环保型高能超铁电池的正极材料的研究已经得到广泛的关注，具有巨大的开发应用潜力。由于其未来的发展前景十分诱人，因而对高铁酸盐的制备和性质研究已成为当今化学领域的热门课题。

高铁酸盐作为化学试剂获得广泛应用的关键是其稳定产品的合成。目前高铁酸盐的制备有三种方法：次氯酸盐氧化法、热融法和电解法。由于次氯酸盐氧化法和热融法制备过程复杂，涉及较多化学药品和能量的消耗，操作过程较难控制，成本比较昂贵。电解氧化法以其操作简便安全、化学试剂消耗少、产物纯净、对环境无污染而赢得人们的青睐。

电解氧化法的基本原理是，将金属铁电极在苛性碱阳极液中用直流电电解氧化生成高铁酸盐。美国专利US4435257提出一种用隔膜电解槽，在NaOH溶液中用直流电将铁阳极或NaOH阳极液中的三价铁氧化成Na₂FeO₄溶液的方法。美国专利US44358256提出一种利用电解法所制备的Na₂FeO₄溶液来制备K₂FeO₄固体的方法。中国专利CN97116358.8提出一种用多级并联的隔膜式电解槽制备含Na₂FeO₄和Al₂O₃复合高铁铝水处理絮凝剂的方法。中国专利CN200710042875.8公开了一种在添加了KIO₄和NaCl复合添加剂的NaOH溶液中电解白口铸铁制备高铁酸钠继而制备高铁酸钾的工艺方法。

由电解法所制Na₂FeO₄溶液的浓度较低，只适合于现场使用而不能长期保存；同时该液态产品其NaOH浓度较高，直接用作水处理剂受到限制。通常是将Na₂FeO₄与KOH发生复分解反应转变成K₂FeO₄固体析出。然而这样操作不但使工序增多、高铁酸盐的收率降低，更严重的是所产生的大量混合碱无法直接循环利用。虽有报道一种利用NaOH和KOH混合碱作为阳极液电解铁阳极直接制备K₂FeO₄固体的方法(Electrochem.Comm.，2002，4，764-766)，然而其所制备的K₂FeO₄纯度和电流效率均较非常低。

中国专利CN03126342.9提出了一种直接电合成固态K₂FeO₄的方法，使高铁酸盐的电合成水平前进了一大步：通过在60℃含有复合添加剂(由CuCl₂、KIO₃、Na₂SiO₃、KI复合而成)的10～13mol/L KOH溶液以1.0～10.0A/dm²表观电流密度电解铁阳极，直接获得了纯度为90％～95％固态K₂FeO₄，其电流效率为40％～45.4％，其电合成速率一般低于10g.L^-1.h^-1，耗电量一般高于4.3kWh/(kg K₂FeO₄)。显然该方法所得到的电流效率和电合成速率有些偏低。最近有报道一种在无添加剂的14.5mol/L KOH溶液中直接电解铁阳极合成固态高铁酸钾的方法(Electrochem.Comm.，2005，7，607～611和河南大学学报(自然科学版)，2008，38，580～584)，把直接电合成法主要电解指标大幅提高了一个台阶：在电流密度0.10～0.42A/dm²条件下获得73.2％～51.2％电流效率，相应电合成速率为6.0～17.7g.L^-1.h^-1，相应耗电量2.1～3.3kWh/(kg K₂FeO₄)。该方法的缺点是在高电流密度下的电流效率偏低。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种在较高电流密度下高效率直接电合成固态粉末K₂FeO₄的方法——即一步法电化学制备固态高铁酸钾(K₂FeO₄)的方法。该方法不涉及有毒氯气的使用，所述KOH阳极液可循环使用、连续生产，生产过程中不产生任何可能污染环境的废液废气。所涉及的阳极主反应和总反应方程式可表示如下：

Fe+8OH^-+2K⁺→K₂FeO₄(s)+4H₂O+6e^- (1)

Fe+2KOH+2H₂O→K₂FeO₄(s)+3H₂↑ (2)

本发明的目的可通过下述技术措施来实现：

本发明的采用一步法电化学制备高铁酸钾固态粉末的方法包括下述步骤：

a、所述方法利用由两个阴极室夹一个阳极室构成的隔膜式电解槽，以由含铁量为98％以上的低碳钢材料制备而成的比表面积为10-80cm²/g的网状体作为阳极，以耐碱性能高的泡沫镍或镍丝材料制作而成的网状体作为阴极，分别置于阳极室和阴极室内；并以全氟磺酸阳离子交换膜或微孔膜中的任意一种作为阴极室和阳极室之间隔膜；

b、将采用含有添加剂的氢氧化钾KOH溶液制备而成的阳极电解液、采用氢氧化钾KOH溶液制备而成的阴极电解液，分别放入阳极室和阴极室内；所述阳极电解液和阴极电解液中的氢氧化钾浓度均为13～15.5mol/L；

c、用直流电进行电解；所述直流电流的电流密度为0.083～0.61A/dm²，电解过程中槽电压变化范围为1.3～3.5V；

d、将阳极液中所生成的固体电解产物从阳极液中分离出来，经脱水、脱碱、干燥步骤纯化后，即可直接制得纯度为94.0～98.1％的高铁酸钾K₂FeO₄晶体粉末。

本发明中所述阳极室与单个阴极室的容积比为1∶3～2∶1。

本发明中所述添加剂为固体碘酸钾、固体碘化钾、碘酸钾的氢氧化钠水溶液或碘化钾的氢氧化钾(或氢氧化钠)水溶液中的任意一种；其中碘酸钾的氢氧化钠水溶液中的碘酸钾含量为0.05～0.3mol/L，碘化钾的氢氧化钾(或氢氧化钠)水溶液中的碘化钾含量为0.05～2mol/L；氢氧化钠或氢氧化钾溶液浓度均为5～12mol/L；所述添加剂的添加量为阳极液中含碘量达到1～10mmol/L。所述电解液温度范围为50～80℃。

本发明中所述脱水步骤中采用环己烷或正戊烷中的任意一种作为脱水剂；所述脱碱步骤中采用丙醇、无水乙醇或甲醇的一种或两种作为脱碱剂；脱碱时的环境温度在30℃以下。

本发明的方法在上述条件下所获得的电流效率为51％～80％，电合成速率为6.3～31g.L^-1.h^-1，耗电量为1.9～3.9kWh/(kg K₂FeO₄)。所述高铁酸钾K₂FeO₄与阳极液的分离方式为间歇式的或连续式的负压抽滤或离心分离；所述抽滤或离心分离时间为0.5～5分钟/次(相当于2～20min/L)。所述干燥处理方法为于70～90℃的真空干燥1～2小时或常压干燥2～3小时。

本发明的方法所得固态高铁酸钾粉末纯度为94.0～98.1％(经过脱水脱碱处理)或者85％～91％(不经过脱碱处理)。

本发明的有益效果如下：

1.固态粉末固体K₂FeO₄可经一步法直接电解而制备，时空效率高。与现有间接电合成法相比，本发明可以直接获得固态高铁酸钾粉末，避免大量混合碱副产品的产生；与最近中国专利CN03126342.9所述直接电合成法相比，电流效率和电合成速率提高了50％以上，能耗降低30％-50％、产品与母液分离容易、直接产品纯度高；与最近文献报道的直接电合成法相比，电流效率和电合成速率可提高20％～32％，能耗降低10％-20％，可以实现较高电流密度下高效率生产。

2.所述KOH电解液可循环利用，可以实现废液废气零排放生产，对环境无污染。

3.电合成过程中铁阳极不发生明显钝化现象，添加剂组成简单且性能稳定，生产操作和电解液维护简单，可以不需要二次提纯过程，生产过程安全，工艺参数容易控制，产品质量稳定。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例作进一步描述：

本发明中所述方形隔膜式电解槽采用耐高温的PVC、PMMA或陶瓷等绝缘材料制备，其阳极室的容积是10×10×2cm³，阴极室的容积是10×10×4cm³，隔膜是有效截面积为10×10cm²的全氟磺酸阳离子交换膜。阳极是10～30层普通低碳钢铁丝网(铁丝直径为0.13～0.14mm)，铁含量应在98％以上，浸没的单层有效表观面积为60cm²；阴极是平面面积为10×10cm²泡沫镍。

本发明中阳极电解液和阴极电解液皆为KOH水溶液，其浓度为13～15.5mol/L，最佳浓度为14～15mol/L。本发明中所述添加剂为固体碘酸钾、固体碘化钾、碘酸钾的氢氧化钠水溶液或者碘化钾的氢氧化钾(或氢氧化钠)水溶液中的任意一种；其中碘酸钾的氢氧化钠水溶液中的碘酸钾含量为0.05～0.3mol/L，碘化钾的氢氧化钾(或氢氧化钠)水溶液中的碘化钾含量为0.05～2mol/L；氢氧化钠或氢氧化钾溶液浓度均为5～12mol/L；所述添加剂的添加量为阳极液中含碘量达到1～10mmol/L。

本发明中电解参数为：所述直流电流的电流密度为0.083～0.61A/dm²，最佳范围0.17～0.42A/dm²；电解过程中槽电压变化范围为1.3～3.5V，最佳范围为1.7～2.7V；电解液温度范围为50～80℃，最佳范围为60～70℃。

具体制备过程如下：

在电解槽的阳极室和两个阴极室中分别加入14.5mol/L的KOH溶液，其体积分别为90ml与2×180ml，液面保持等高。采用10层铁丝网阳极，其浸没的有效表观面积为600cm²。电解槽置于65℃水浴槽中恒温，以0.5～3.6A(相当于0.083～0.61A/dm²电流密度)的电流进行恒直流电解。电解时间根据所采用的电流密度大小而定。通电电流大则电解时间短，反之时间则长，一般可为1.0～10小时。电解时槽电压会随所述电流增大而升高，一般幅度为1.3～3.1V。在电解时，尽可能采用比表面积大的阴极和阳极材料，同时使铁阳极接受两面电解，以利于降低电流密度和槽电压并节约电能。

电解过程中，由于阳极副反应析氧过程的发生会引起溶液一定程度的搅拌，因此一般条件下可以不特别设置搅拌装置。本实验条件下铁阳极不发生明显钝化现象，电流效率可以一直保持较高水平。对于长时间快速电合成来说，阳极液中的碱浓度可能下降较多，需要定期补充KOH，以保持较高电流效率。电合成时阳极液中含碘添加剂的加入可以提升高铁酸盐稳定性和表观电流效率。

阳极液中K₂FeO₄含量达到35～120g/L时终止电解过程，进行目标产物的提取。电解结束后将料浆阳极液取出，置于冷水浴中冷却至0～25℃，经砂芯漏斗负压抽滤；或者不经冷却，直接经砂芯漏斗负压抽滤。由于高铁酸钾结晶良好，过滤速度非常快，完成90mL料浆的过滤一般只需要1～2min。湿态的高铁酸钾不是很稳定，所得滤饼宜尽快用环己烷冲洗3次脱水、无水乙醇冲洗6次脱碱，再用真空干燥箱(或者在干燥的环境使用普通干燥箱)于60～90℃干燥1～3小时，然后密封干燥保存。不需要再次溶解提纯操作，所得K₂FeO₄固体粉末用亚铬酸盐法测定其纯度可达到94.0％～98.1％。如果省去脱碱步骤，应当使用真空干燥箱干燥，此时的高铁酸钾纯度可达到85％～91％。

在分离固态K₂FeO₄后，经过在高于50℃条件下补加固态KOH或者16mol/L的KOH溶液以及适量添加剂后，母液再返回阳极室循环使用。

实施例1：

首先将14.5mol/L的KOH溶液作为阳极液和阴极液分别添加到电解槽中，阳极采用10层铁含量在98％以上普通铁丝网，浸没的有效表观面积为600cm²，阴极是平面面积为10×10cm²泡沫镍；阳极液体积90mL，之后往阳极液中添加1.5mL含0.16mol/L碘酸钾添加剂的氢氧化钠溶液；电解槽置于65℃水浴槽中恒温，以0.60A恒直流电解8.75小时结束。槽电压变化范围1.7～1.9V。电解结束后取出阳极液，经抽滤分离、脱水、脱碱处理后，滤饼再用真空烘箱于80℃干燥1.5小时。得K₂FeO₄固体5.09g，纯度为97.6％，电流效率为79.6％，电合成速率为6.3g.L^-1.h^-1，耗电量1.9kWh/(kg K₂FeO₄)。

实施例2：

首先将14.5mol/L的KOH溶液作为阳极液和阴极液分别添加到电解槽中，阳极采用10层铁含量在98％以上普通铁丝网，有效表观面积为600cm²，阴极是平面面积为10×10cm²泡沫镍。阳极液体积90mL，之后往阳极液中添加2mL含0.16mol/L碘酸钾的氢氧化钠溶液。电解槽置于65℃恒温水浴槽中以1.50A恒直流电解3.50小时结束。槽电压变化范围2.0～2.2V。电解结束后取出阳极液，经抽滤分离、脱水、脱碱处理后，滤饼再用真空烘箱于80℃干燥1.5小时。得K₂FeO₄固体4.86g，纯度为97.5％，电流效率为76.2％，电合成速率为15.5g.L^-1.h^-1，耗电量2.3kWh/(kg K₂FeO₄)。

实施例3：

首先将14.5mol/L的KOH溶液作为阳极液和阴极液分别添加到电解槽中，阳极采用10层铁含量在98％以上普通铁丝网，有效表观面积为600cm²，阴极是平面面积为10×10cm²泡沫镍；阳极液体积90mL，之后往阳极液中添加0.39mmol固体碘酸钾。电解槽置于65℃水浴槽中恒温，以2.50A恒直流电解2.10小时结束。槽电压变化范围2.2～2.4V。电解结束后取出阳极液，经抽滤分离、脱水、脱碱处理后，滤饼再用真空烘箱于80℃干燥1.5小时。得K₂FeO₄固体4.39g，纯度为96.7％，电流效率为67.5％，电合成速率为23.1g.L^-1.h^-1，耗电量2.75kWh/(kg K₂FeO₄)。

实施例4：

往电解槽中所添加阳极液是实例2过滤后的阳极液；用固体KOH将浓度调整为14.5mol/L左右；阳极是10层普通铁丝网，有效表观面积为600cm²，阴极是平面面积为10×10cm²泡沫镍；阳极液体积90mL，之后添加2mL含0.16mol/L碘酸钾的氢氧化钠溶液。所述阳极、阴极等电极仍然为实例2中所述过的不经过任何处理的材料。电解槽置于65℃水浴槽中恒温，以1.50A恒直流电解3.50小时结束。槽电压变化范围2.0～2.2V。电解结束后取出阳极液，经抽滤分离、脱水、脱碱处理后，滤饼再用真空烘箱于80℃干燥1.5小时。得K₂FeO₄固体4.80g，纯度为97.1％，电流效率为75.2％，电合成速率为15.2g.L^-1.h^-1，耗电量2.3kWh/(kg K₂FeO₄)。

实施例5：

首先将14.5mol/L的KOH溶液作为阳极液和阴极液分别添加到电解槽中，阳极采用10层铁含量在98％以上普通铁丝网，有效表观面积为600cm²，阴极是平面面积为10×10cm²泡沫镍。阳极液体积90mL，之后往阳极液中添加1mL含0.43mol/L碘化钾添加剂的苛性碱溶液。电解槽置于65℃恒温水浴槽中以1.50A恒直流电解3.50小时结束。槽电压变化范围2.0～2.2V。电解结束后取出阳极液，经抽滤分离、脱水、脱碱处理后，滤饼再用真空烘箱于80℃干燥1.5小时。得K₂FeO₄固体4.83g，纯度为97.3％，电流效率为75.6％，电合成速率为15.3g.L^-1.h^-1，耗电量2.3kWh/(kg K₂FeO₄)。

实施例6：

首先将14.5mol/L的KOH溶液作为阳极液和阴极液分别添加到电解槽中，阳极采用10层铁含量在98％以上普通铁丝网，有效表观面积为600cm²，阴极是平面面积为10×10cm²泡沫镍。阳极液体积90mL，之后往阳极液中添加0.25mmol固体碘化钾。电解槽置于65℃恒温水浴槽中以1.50A恒直流电解7.00小时结束。电解过程中每过1h添加1.5mL 16mol/LKOH溶液。槽电压变化范围2.0～2.3V。电解结束后取出阳极液，经抽滤分离、脱水、脱碱处理后，滤饼再用真空烘箱于80℃干燥1.5小时。得K₂FeO₄固体9.34g，纯度为97.2％，电流效率为72.3％，电合成速率为14.8g.L^-1.h^-1，耗电量2.5kWh/(kgK₂FeO₄)。

Claims

1.一种采用一步法电化学制备高铁酸钾固态粉末的方法，其特征在于：所述方法包括下述步骤：

a、所述方法利用由两个阴极室夹一个阳极室构成的隔膜式电解槽，以由含铁量为98％以上的低碳钢材料制备而成的比表面积为10～80cm²/g的网状体作为阳极，以耐碱性能高的泡沫镍或镍丝材料制作而成的网状体作为阴极，分别置于阳极室和阴极室内；并以全氟离子膜或微孔膜中的任意一种作为阴极室和阳极室之间隔膜；所述阳极室与单个阴极室的容积比为1∶3～2∶1；

b、将采用含有可以提升高铁酸盐稳定性和表观电流效率的添加剂的氢氧化钾KOH溶液制备而成的阳极电解液、采用氢氧化钾KOH溶液制备而成的阴极电解液，分别放入阳极室和阴极室内；所述阳极电解液和阴极电解液中的氢氧化钾浓度均为13～15.5mol/L；所述添加剂为固体碘酸钾、固体碘化钾、碘酸钾的氢氧化钠水溶液或碘化钾的氢氧化钾或氢氧化钠水溶液中的任意一种；其中碘酸钾的氢氧化钠水溶液中的碘酸钾含量为0.05～0.3mol/L，碘化钾的氢氧化钾或氢氧化钠水溶液中的碘化钾含量为0.05～2mol/L；氢氧化钠或氢氧化钾溶液浓度均为5～12mol/L；所述添加剂的添加量为阳极液中含碘量达到1～10mmol/L；

c、用直流电进行电解；所述直流电流的电流密度为0.083～0.61A/dm²，电解过程中槽电压变化范围为1.3～3.5V；所述电解液温度范围为50～80℃；

d、将阳极液中所生成的固体电解产物从阳极液中分离出来，经脱水、脱碱、干燥步骤纯化后，即可直接制得纯度为94.0～98.1％的高铁酸钾K₂FeO₄晶体粉末；所述高铁酸钾K₂FeO₄与阳极液的分离方式为间歇式的或连续式的负压抽滤或离心分离；所述抽滤或离心分离时间为0.5～5分钟/次，相当于2～20min/L。