高鐵酸鉀氧化含氮化合物的反應(yīng)動力學(xué)研究

徐 敏

(張家口市第一中學(xué)，河北 張家口 075000)

0 引 言

含氮化合物污水不僅會破壞生態(tài)平衡，而且對人體健康也造成一定的危害，因此對含氮化合物的污水進(jìn)行凈化處理是非常必要的.高鐵酸鉀可以對含氮化合物的污水進(jìn)行強(qiáng)氧化處理，還原生成對人體和環(huán)境無危害的三價鐵化合物，這項技術(shù)在水凈化處理中被廣泛應(yīng)用.

1 高鐵酸鉀生產(chǎn)工藝及特點

1.1 高鐵酸鉀生產(chǎn)工藝

第二種熔融法，熔融法也被稱為高溫氧化法，在具有充足氧氣的實驗條件下，按照一定的比例把鐵的氧化物和堿金屬的過氧化物進(jìn)行混合，通過高溫煅燒而形成K2FeO4.熔融法制成的產(chǎn)品副產(chǎn)物少，濃度純度高，但是由于堿金屬過氧化物的存在，制作的高錳酸鉀容易具有爆炸的危險.

第三種次氯酸鹽氧化法，次氯酸鹽氧化法中的間接法是把三價鐵鹽加入到強(qiáng)堿性次氯酸鈉中，生成Na2FeO4，然后再通過KOH作用，進(jìn)而生成K2FeO4.因為K2FeO4在堿性溶液中的溶解度小，這樣可以把溶液的溫度降低，K2FeO4通過沉淀的形式析出.然后對其進(jìn)行分離和提純操作，這樣就可以得到K2FeO4固體了.次氯酸鹽氧化法中的直接法是把次氯酸鉀作為氧化劑，對Fe3+進(jìn)行氧化生成K2FeO4，這樣高鐵酸鉀的生成工藝被簡化了，在生成流程過程中產(chǎn)品損失小，而且提高了高錳酸鉀生成的效率.

1.2 高鐵酸鉀特點

穩(wěn)定性，高鐵酸鉀晶體可以長期的穩(wěn)定存放在干燥環(huán)境中.影響高鐵酸鉀的穩(wěn)定性因素很多，如溶液的溫度和溶液的PH值等，溫度在80度以上的條件下高錳酸鉀晶體會自動分解.在強(qiáng)堿溶液的環(huán)境下K2FeO4可以穩(wěn)定存在，如果在酸性或者弱堿的環(huán)境下，那么K2FeO4很容易被分解，公式如式(1)所示：

(1)

氧化性，高鐵酸鉀的氧化性主要是因為高鐵酸鉀中含有的正六價的鐵Fe(VI).在酸堿溶液中，K2FeO4的還原電極電勢能力很高.

2 高鐵酸鉀在水處理中的作用

K2FeO4作為水處理劑，與Cl2相比不會產(chǎn)生有害的三氯甲烷等物質(zhì).K2FeO4具有氧化和沉淀作用，由于很多排放的污水中含有醇類、氰化物和氮化合物等有害物質(zhì)，造成生態(tài)系統(tǒng)被嚴(yán)重的破壞了，人們的生活用水被嚴(yán)重污染.K2FeO4可以對水中的醇類、氰化物和氮化合物等有害物質(zhì)進(jìn)行氧化去除，而且形成的Fe(OH)3可以通過絮凝劑的作用把顆粒物清除.實驗表明，少量的Fe(OH)3就可以通過氧化和沉淀作用，把含氮化合物污水中的氮化合物有害物質(zhì)清除，高鐵酸鉀氧化還原作用效果非常強(qiáng).

K2FeO4具有較強(qiáng)的殺菌消毒作用，對細(xì)菌結(jié)構(gòu)中的酶進(jìn)行破壞阻止細(xì)菌核酸生成，達(dá)到抑制細(xì)菌繁殖的目的.在大腸桿菌的實驗中，把4mg/LK2FeO4加入到大腸桿菌的溶液中12分鐘后，滅菌效果可以達(dá)到99%以上，實驗表明K2FeO4對大腸桿菌和噬菌體等很多種的病毒都具有很好的滅活效果.

3 高鐵酸鉀氧化含氮化合物反應(yīng)動力學(xué)實驗研究

本實驗以高鐵酸鉀氧化乙醇胺的反應(yīng)動力學(xué)實驗為例進(jìn)行研究.

3.1 試劑和儀器

實驗選用試劑如表1所示：

表1 實驗試劑

實驗選用儀器如表2所示：

表2 實驗儀器

3.2 高鐵酸鉀制備過程

在選擇好的燒瓶內(nèi)加入一定重量的高錳酸鉀固體晶體，然后把濃度為38%的鹽酸倒入反應(yīng)瓶內(nèi)，把生成的Cl2通入配置好的0℃的KOH溶液中，在整個反應(yīng)過程中溫度控制在20℃以內(nèi)，經(jīng)過2h反應(yīng)后得到KClO.把KOH加入到次氯酸鉀溶液中，不斷地攪拌溶解，并把溫度控制在20℃內(nèi)，因為KOH在溶解過程中會釋放很多的熱量.把溫度降低到0℃，析出白色沉淀固體KCl，然后通過漏斗把KCl和KOH多余的固體過濾掉，會得到次氯酸鉀溶液.在30分鐘內(nèi)，把Fe(NO)3·9H2O加入到溶液中，然后攪拌60分鐘，使其充分溶解.并把實驗的溫度控制在20℃以內(nèi)，目的是為了避免KClO的分解.在氧化過程中實驗溶液的顏色會從棕色變?yōu)樽虾谏缓笤偌尤隟OH，通過冰水降溫到0℃，高鐵酸鉀會逐漸析出，然后通過真空過濾就可以得到高鐵酸鉀晶體.K2FeO4制作過程流程如圖1所示.

圖1 K2FeO4制作過程流程圖

3.3 計算特征吸收波長及動力學(xué)測定分析

停流技術(shù)可以對混合溶液的反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤.本實驗采用停流技術(shù)對K2FeO4氧化含氮化合物的反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行有效的研究，本實驗采用的停止流動光譜儀具有非常高的靈敏度，對溶液信號隨時間的變化進(jìn)行測定來監(jiān)測反應(yīng)動力的過程，更加保證了實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

在20℃環(huán)境溫度下，高鐵酸鉀和乙醇胺混合溶液在實驗反應(yīng)時間內(nèi)，經(jīng)過計算在λ=505 nm的位置，混合液中高錳酸鉀的特征吸收比較強(qiáng)，并且在之后的實驗反應(yīng)過程中，實驗現(xiàn)象證明在=505 nm波長位置，反應(yīng)體系有明顯的吸收峰值的變化，因此實驗把λ=505 nm作為動力學(xué)實驗計算出的特征吸收波長.在實驗中，把在一定的PH緩沖溶液中加入還原劑，然后稀釋成不同濃度的溶液留著備用，并采用同一緩沖溶液溶解而制成氧化劑溶液.設(shè)定停止流動光譜儀的檢測波長為505nm，在光譜儀中加入氧化劑和還原劑進(jìn)行融合，在實驗過程中記錄在505nm波長位置，吸光度隨時間變化的數(shù)值，然后通過軟件計算出表觀速率常量數(shù)值，在每組實驗中要重復(fù)計算8次，這樣實驗的結(jié)果才更準(zhǔn)確.實驗關(guān)鍵控制因素是在動力學(xué)測定實驗中，實驗條件要滿足在還原劑>10氧化劑的準(zhǔn)一級條件下進(jìn)行.

3.4 結(jié)果分析

K2FeO4濃度對表觀速率常數(shù)的影響.在(還原劑>10氧化劑)的準(zhǔn)一級條件下，在還原劑和離子強(qiáng)度不變的條件下，吸光度隨時間變化形成動力學(xué)曲線是一條直線，通過得出的變化曲線可以證明動力學(xué)反應(yīng)對氧化劑K2FeO4是一級反應(yīng).

在溫度不同的條件下，乙醇胺溶液的濃度對表觀率常量的影響.在Fe(VI)和離子強(qiáng)度不變的情況下，對反應(yīng)體系的溫度值進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖?，可以計算出表觀速度常量和乙醇胺溶度之間的變化曲線圖，得出的直線斜率接近數(shù)值1，所以通過實驗可以計算出動力學(xué)反應(yīng)對乙醇胺為一級反應(yīng).

3.5 反應(yīng)機(jī)理分析

4 總 結(jié)

本文通過停流技術(shù)在(還原劑>10氧化劑)的準(zhǔn)一級條件下對高鐵酸鉀氧化乙醇胺含氮化合物的反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行研究，為高鐵酸鉀在污水治理中發(fā)揮更大的水處理劑的作用提供了科學(xué)依據(jù).