电解法合成高铁酸钠的实验研究

电解法合成高铁酸钠的实验研究
宗刚;胡镇青
【摘要】通过改变传统电极设置位置,评定影响电解效率的各因素以实现电流效率的最大化.在简化电解装置的同时,不影响电流效率的提高.实验结果表明,将传统左右式设置电极改为上下式设置电极,阴极距液面2cm,阳极距底面4cm,电流密度
2mA/cm2,NaOH浓度14mol/L,温度60℃,电解1.5h,并加入搅拌的情况下电流效率最大达到58％.%By changing the traditional position of electrode, and assessing the various factors that affect the efficiency of electrolysis, the maximum of the current efficiency is realized. Experimental results show that, the current efficiency will reach the maximum (58%) in this chemical environment that 2cm away from the cathode surface,4cm away from the bottom of anode,electric current 2mA/cm2 、NaOH concentration of
140mol/L,temperature of 60 degrees,electrolysis of 1. 5 hours with agitating.
【期刊名称】《西安工程大学学报》
【年(卷),期】2012(026)002
【总页数】3页(P222-224)
【关键词】高铁酸钠;电解法;电流效率
【作者】宗刚;胡镇青
【作者单位】西安工程大学环境与化学工程学院,陕西西安710048;西安工程大学环境与化学工程学院,陕西西安710048
【正文语种】中文
【中图分类】O646.5
高铁酸盐是一种多功能高效水处理剂，具有氧化、吸附、絮凝、助凝、杀毒和除臭等作用［1］.尤其相对氯系杀菌而言，不会产生对人体有害的物质，是氯系杀菌剂的理想替代产品［2］.因此对于高铁酸钠的研究已成为国内外的研究重点.目前，电解法合成高铁酸钠的实验研究较多，但大多采用分极室左右式设置电极合成高铁酸盐，往往这类方法材料成本高、能耗大.不具备规模化生产.本文考虑材料的易获得性，通过对电极位置的调整及影响因素的评定研究上下式电极设置的优点及最佳制备参数.
在通以适当电流的条件下，在强碱性介质中，放置在电解槽下部的阳极铁被氧化生成FeO24－，同时伴有析氧副反应，而放置在上部的阴极发生析氢反应.电极反应.阳极：Fe＋8OH－—→FeO42－＋4H 2 O＋6e－；阴极，2 H 2 O —→H 2＋
2OH－－2e－.总反应方程式为Fe＋2OH－＋2 H 2 O —→FeO24－＋3H 2，FeO24－＋2Na＋—→Na2 FeO4.
1.1 仪器及药品
（1）仪器直流稳压稳流电源（WYJ.5A.30V，鸿宝电气股份有限公司）、紫外可见分光光度计（V－1100，上海美谱达仪器有限公司）、集热式恒温加热磁力搅拌器（DF－101S，郑州长城科工贸有限公司）、离心机（TGL－16C，海安亭科学仪器场）.
（2）药品氢氧化钠（颗粒）、硫酸亚铁铵、浓硫酸（1＋1）、盐酸（1＋1）、磷酸、三氯化铬、二苯胺－4－磺酸钠、重铬酸钾，以上药品均来自西安化学试剂厂.
1.2 内容
实验中采用多层铁丝网［3］为阳极材料，表面积50cm2，目的是增大铁源与溶
液的接触面积，阴极用铜片.在同一电解槽中电解，电极由传统的左右式放置改为
阴极上、阳极下，在底部加入磁力搅拌进行强制对流.相对左右式这种结构好处在：OH－可更迅速的扩散，且强制对流使扩散更迅速；阴极位于上部距液面仅2cm，使H 2可以迅速排出［4］.反应装置示意图如图1所示.
1.3 分析方法
采用分光光度计，1cm比色皿测吸光度A测定高铁酸根浓度，本法的优势在于快速、准确，有利于跟踪测定.测定前应先用离心机在4 000r／min的条件下离心去除溶液中的杂质［5］.
2.1 电极位置设置方式对电流效率的影响
此法中阴极产生的H 2有较强的还原能力，阳极产生有强氧化能力，两者易发生
如下反应：
为了避免产生氢气对高铁酸根的还原，将传统的电极左右设置改为阴极上阳极下设置，阴极距上液面2cm，阳极距液面底部2cm.实验中，将电极插入14mol／L NaOH溶液中，电流密度2m A／cm2，温度60℃，电解1.5h.左右式：电流效率24%；上下式：电流效率41%.
对比2种方法发现，上下式比左右式产出量提高将近2倍.由此看出，这种反应器
条件下，强制对流能够使OH－更迅速的扩散，有利于高铁酸根的生成；另外将阴极放置在上部，使H 2能够迅速排出，有利于高铁酸根在溶液中稳定存在.
2.2 NaOH浓度对电流效率的影响
实验中，在电流密度2m A／cm2，温度60℃条件下分别在5mol／L，10mol／L，14mol／L和16mol／L的NaOH溶液中电解1.5h后，测吸光度.计算其电流效
率分别为9.9%，24%，41%，29%.
结果表明，NaOH浓度对电流效率影响较大，在浓度达到接近饱和时高铁酸根在
溶液中分解很慢，生成速率远远超过分解速率.但在过饱和时，一方面由于浓度太大，使溶液变的黏稠，不利于氢气排出；另一方面也使自由水分子浓度减少，会使高铁酸钠溶解度减小，综合两方面原因，导致电流效率急剧下降.
2.3 电解时间及温度对电流效率的影响
在时间上，主要的影响因素是铁电极产生氧化膜，实验在电流2m A／cm2，温度60℃，10mol／L NaOH溶液中电解.时间－电流效率如图2所示.由图2可以看出，在1.5h后，高铁酸根的浓度出现下降，原因是在1.5h后，氧化膜产生降低了铁
电极上铁氧化为高铁酸根的速率，此时高铁酸根分解速率高于生成速率.
因此，在不更换电极，当前实验条件下，电解1.5h时高铁酸根浓度达到最大值，
在1.5h后，电流效率由于氧化膜产生逐渐降低.
在温度的测试过程中，电流密度2m A／cm2，10mol／L NaOH 溶液中，分别在40、50、60、70℃电解。

在40℃条件下电解2.5h，发现在1.5h和2h处电流效率相等（17%，16.5%），2h后急据下降。

50℃同样得出在1.5h时高铁酸根浓
度达到最大值19%，但是在1.5h后，高铁酸根浓度下降速度超过40℃，结合图
2中60℃，70℃的变化曲线，得出在此实验条件下60℃时，电解1.5h，电流效
率最大.
分析认为，在一定范围内升高温度有利于铁电极电解生成高铁酸钠，但是温度太高，会加剧析氧副反应，也会导致高铁酸盐的分解速度加快.
2.4 电极板间距对电流效率的影响
电流密度2m A／cm2，60℃，14mol／L NaOH溶液中电解，结果如图2中所示.当阴极下调时，高铁酸钠浓度明显下降，分析认为这是由于阴极所产生的氢气
不能够及时排出，与高铁酸根发生反应，使高铁酸根还原.这点还可以从正极上调
和正常板间距（5cm）两组数据相差不大得以证明.在当前实验条件下，以阴极距
上液面2cm，阳极距液面底部2cm，为最合适的电极板间距.
2.5 搅拌对电流效率的影响
在实验中，虽然将阴极放在距液面2cm处，有利于氢气的排出，但是在一定反应时间后，溶液变得黏稠，有气泡浮在溶液表面不利于氢气排出，为了消除这种影响，采用搅拌以使氢气能够更迅速地排出.结果表明电流效率有明显提高，达到58%. （1）将传统左右式设置电极改为上下式设置电极，阴极距液面2cm，阳极距底面4cm.有助于迅速排出导致高铁酸根分解的氢气.
（2）电流密度2m A／cm2，NaOH浓度14mol／L，温度60℃，电解1.5h，
并加入搅拌的情况下电流效率最大，达到58%.
（3）若在上下设置电极条件的电解法中加入适当的添加剂，以增加高铁酸根在溶液中的稳定性，电流效率还有很大的提高空间，此类添加剂还有待研究.
【相关文献】
［1］刘伟.新型水处理药剂高铁酸盐［M］.北京：北京建筑工业出版社，2007：8－9.
［2］杭磊，吴红军，于海迎，等.高铁酸盐的合成及其性质与应用［J］.化工时刊，2006，20（1）：75－76.
［3］ LICH T S，TEV ERED R，HALPERIN L.Directelect rochem ical preparat on of solid Fe （VI）ferrate，and superironbat tery compounds［J］.Elect rochem Commun，2002，4（1）：933－937.
［4］何伟春，关春龙，左宏森.高铁酸盐制备方法研究进展［J］.无机盐工业，2009，41（12）：1－4.
［5］刘永春，胡弘鲲，骆明霞，等.分光光度法测定高铁酸钠的浓度［J］.化学研究与应用.2002，14（3）：299－300.。