N－亞硝基苯胲銨絡(luò)合去除硫酸鋁中鐵的研究*

郭慧玲，賈志奇，秦曉琴，韓玉英，趙永祥

（精細(xì)化學(xué)品教育部工程研究中心，山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原 030006）

硫酸鋁作為一種重要的無機(jī)化工原料,廣泛應(yīng)用于造紙、紡織、化工和水處理等領(lǐng)域［1］?；谥袊S富的鋁土礦、煤矸石、高嶺土等礦物資源，利用酸處理礦物生產(chǎn)硫酸鋁產(chǎn)品是一條極具發(fā)展前景的工藝路線。但是，該工藝生產(chǎn)的硫酸鋁含鐵量高，遠(yuǎn)不能滿足高端領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)要求［2］，因此，開發(fā)能有效降低硫酸鋁中鐵的生產(chǎn)工藝技術(shù)，就成為提升硫酸鋁產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。目前,文獻(xiàn)報(bào)道硫酸鋁除鐵工藝主要包括有機(jī)萃取法、結(jié)晶法、沉淀法等［3-4］。沉淀法主要包括高錳酸鉀沉淀法［5］、鐵氰化鉀和亞鐵氰化鉀沉淀法［2，6］、有機(jī)絡(luò)合沉淀法［7-9］。與其他除鐵方法相比,有機(jī)絡(luò)合沉淀法由于有機(jī)絡(luò)合劑對(duì)鐵離子選擇性強(qiáng)、用量少，生成的沉淀顆粒大、易于分離，工藝簡(jiǎn)單，鐵去除效果好，因而受到眾多科研工作者的關(guān)注，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ娜コ蛩徜X中鐵的技術(shù)。N－亞硝基苯胲銨絡(luò)合劑是一種重要的含N、O功能基團(tuán)的有機(jī)絡(luò)合試劑，分子中羥氨上的氧和亞硝基能與金屬離子定向鍵合，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。鑒于此，筆者選用絡(luò)合劑N－亞硝基苯胲銨進(jìn)行硫酸鋁除鐵實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)考察了絡(luò)合劑用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、溶液酸度等因素對(duì)除鐵效果的影響，旨在為開發(fā)用于工業(yè)生產(chǎn)的高效除鐵工藝提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑、儀器

試劑：硫酸鋁、N－亞硝基苯胲銨、硫酸，均為分析純。含鐵硫酸鋁溶液：鋁質(zhì)量濃度為26.48 g/L，鐵質(zhì)量濃度為0.699 g/L。

儀器：恒溫加熱磁力攪拌器、循環(huán)水式真空泵、紫外可見分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 含鐵硫酸鋁溶液中鐵、鋁含量的測(cè)定

鐵含量測(cè)定按照GB/T 3049—2006《工業(yè)用化工產(chǎn)品鐵含量測(cè)定的通用方法1，10-菲啰啉分光光度法》進(jìn)行。鋁含量測(cè)定參考文獻(xiàn)［10］采用間接絡(luò)合滴定法。

1.2.2 有機(jī)絡(luò)合沉淀除鐵

1）絡(luò)合劑溶液的配制：準(zhǔn)確稱取2.5 g絡(luò)合劑溶于25 mL乙醇和水（體積比為1∶3）的混合溶液中。

2）除鐵方法：準(zhǔn)確移取含鐵硫酸鋁溶液25 mL于100 mL錐形瓶中，加入3.5 mL絡(luò)合劑溶液，在60℃條件下攪拌反應(yīng)60 min，過濾分離生成的橙黃（紅）色沉淀，取濾液進(jìn)行鋁、鐵含量分析，計(jì)算鐵的去除率和鋁的損失率。

1.2.3 除鐵后濾液中鐵、鋁含量的測(cè)定

鋁含量測(cè)定：濾液稀釋10倍，按照1.2.1節(jié)方法測(cè)定鋁含量。

鐵含量測(cè)定：按照1.2.1節(jié)方法測(cè)定鐵含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑配比對(duì)除鐵效果的影響

在其他條件不變的情況下，考察乙醇和水的配比對(duì)除鐵效果和鋁損失率的影響，結(jié)果見圖1。由圖1可知，隨著水、乙醇體積比的增大，鐵去除率和鋁損失率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)水、乙醇體積比為3∶1時(shí)鐵去除率最大，此時(shí)溶液中鐵質(zhì)量濃度為37.75 mg/L，硫酸鋁質(zhì)量濃度為146.53 g/L，鐵在固體硫酸鋁中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.026%。因此，確定溶解絡(luò)合劑的溶劑配比 V（乙醇）∶V（水）=1∶3。

圖1 溶解絡(luò)合劑的溶劑配比對(duì)除鐵效果的影響

2.2 絡(luò)合劑加入量對(duì)除鐵效果的影響

在其他條件不變的情況下，考察絡(luò)合劑加入量對(duì)除鐵效果和鋁損失率的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，隨著絡(luò)合劑用量的增加鐵去除率逐漸升高；當(dāng)絡(luò)合劑溶液加入體積為3.5 mL時(shí)，此時(shí)溶液中鐵質(zhì)量濃度為20.20 mg/L，硫酸鋁質(zhì)量濃度為152.55 g/L，鐵在固體硫酸鋁中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.013%。因而確定絡(luò)合劑溶液加入量為3.5 mL，折合絡(luò)合劑加入量（以100 mL含鐵硫酸鋁溶液計(jì)）為1.4 g。

圖2 絡(luò)合劑用量對(duì)除鐵效果的影響

2.3 溶液酸度對(duì)除鐵效果的影響

在其他條件不變的情況下，考察溶液酸度對(duì)除鐵效果和鋁損失率的影響，結(jié)果見表1。由表1可知，隨著溶液中氫離子濃度的增加，鐵去除率升高，當(dāng)溶液中氫離子濃度為0.5 mol/L時(shí)，鐵去除率達(dá)到95.21%，此時(shí)溶液中鐵質(zhì)量濃度為33.48 mg/L，硫酸鋁質(zhì)量濃度為154.69 g/L，鐵在固體硫酸鋁中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.022%。所以選用體系中的氫離子濃度為0.5 mol/L。

表1 溶液酸度對(duì)除鐵效果的影響

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)除鐵效果的影響

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)除鐵效果的影響

在其他條件不變的情況下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)除鐵效果和鋁損失率的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)鐵去除率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為1 h時(shí)鐵去除率為95.4%，此時(shí)溶液中鐵質(zhì)量濃度為32.27 mg/L，硫酸鋁質(zhì)量濃度為151.4 g/L，鐵在固體硫酸鋁中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.021%。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)鐵去除率升高，考慮實(shí)驗(yàn)效率因素選擇反應(yīng)時(shí)間為1 h。

2.5 反應(yīng)溫度對(duì)除鐵效果的影響

在其他條件不變的情況下，考察反應(yīng)溫度對(duì)除鐵效果和鋁損失率的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著反應(yīng)溫度從20℃升高到90℃，鐵去除率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)溫度為60℃時(shí)鐵去除率為97.8%，此時(shí)溶液中鐵質(zhì)量濃度為15.37 mg/L，硫酸鋁質(zhì)量濃度為151.74 g/L，鐵在固體硫酸鋁中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%。隨著反應(yīng)溫度的升高鐵去除率下降的原因可能是反應(yīng)溫度升高使形成的鐵離子絡(luò)合物的溶解度增加，溶液中鐵含量升高。因此，選擇反應(yīng)溫度為60℃。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)除鐵效果的影響

3 結(jié)論

利用絡(luò)合劑N－亞硝基苯胲銨去除硫酸鋁溶液中的鐵效果顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在含鐵硫酸鋁溶液酸度（氫離子濃度）為0.5 mol/L、混合溶劑乙醇與水的體積比為1∶3、絡(luò)合劑用量（以100 mL含鐵硫酸鋁溶液計(jì)）為1.4 g、60℃反應(yīng)1 h條件下，鋁損失率約為10%，鐵去除率為97.8%，此時(shí)溶液中鐵質(zhì)量濃度為15.37 mg/L，硫酸鋁質(zhì)量濃度為151.74 g/L，鐵在固體硫酸鋁中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%，優(yōu)于HG/T 2225—2010《工業(yè)硫酸鋁》Ⅱ類一等品質(zhì)量指標(biāo)（鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.30%）。該工藝流程簡(jiǎn)單，操作條件溫和，絡(luò)合劑易于制備，特別適合小型工業(yè)化生產(chǎn)，對(duì)高純硫酸鋁的生產(chǎn)具有積極的技術(shù)參考價(jià)值。

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