N－亞硝基苯胲銨絡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

（精細化學品教育部工程研究中心，山西大學化學化工學院，山西太原 030006）

硫酸鋁作為一種重要的無機化工原料,廣泛應用于造紙、紡織、化工和水處理等領域［1］。基于中國豐富的鋁土礦、煤矸石、高嶺土等礦物資源，利用酸處理礦物生產硫酸鋁產品是一條極具發展前景的工藝路線。但是，該工藝生產的硫酸鋁含鐵量高，遠不能滿足高端領域應用的技術要求［2］，因此，開發能有效降低硫酸鋁中鐵的生產工藝技術，就成為提升硫酸鋁產品品質的關鍵。目前,文獻報道硫酸鋁除鐵工藝主要包括有機萃取法、結晶法、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］、有機絡合沉淀法［7-9］。與其他除鐵方法相比,有機絡合沉淀法由于有機絡合劑對鐵離子選擇性強、用量少，生成的沉淀顆粒大、易于分離，工藝簡單，鐵去除效果好，因而受到眾多科研工作者的關注，是一種極具發展潛力的去除硫酸鋁中鐵的技術。N－亞硝基苯胲銨絡合劑是一種重要的含N、O功能基團的有機絡合試劑，分子中羥氨上的氧和亞硝基能與金屬離子定向鍵合，形成穩定的絡合物。鑒于此，筆者選用絡合劑N－亞硝基苯胲銨進行硫酸鋁除鐵實驗。實驗考察了絡合劑用量、反應時間、反應溫度、溶液酸度等因素對除鐵效果的影響，旨在為開發用于工業生產的高效除鐵工藝提供技術參考。

1 實驗部分

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：鋁質量濃度為26.48 g/L，鐵質量濃度為0.699 g/L。

儀器：恒溫加熱磁力攪拌器、循環水式真空泵、紫外可見分光光度計。

1.2 實驗步驟

1.2.1 含鐵硫酸鋁溶液中鐵、鋁含量的測定

鐵含量測定按照GB/T 3049—2006《工業用化工產品鐵含量測定的通用方法1，10-菲啰啉分光光度法》進行。鋁含量測定參考文獻［10］采用間接絡合滴定法。

1.2.2 有機絡合沉淀除鐵

1）絡合劑溶液的配制：準確稱取2.5 g絡合劑溶于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絡合劑溶液，在60℃條件下攪拌反應60 min，過濾分離生成的橙黃（紅）色沉淀，取濾液進行鋁、鐵含量分析，計算鐵的去除率和鋁的損失率。

1.2.3 除鐵后濾液中鐵、鋁含量的測定

鋁含量測定：濾液稀釋10倍，按照1.2.1節方法測定鋁含量。

鐵含量測定：按照1.2.1節方法測定鐵含量。

2 結果與討論

2.1 溶劑配比對除鐵效果的影響

在其他條件不變的情況下，考察乙醇和水的配比對除鐵效果和鋁損失率的影響，結果見圖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先升高后降低的趨勢，當水、乙醇體積比為3∶1時鐵去除率最大，此時溶液中鐵質量濃度為37.75 mg/L，硫酸鋁質量濃度為146.53 g/L，鐵在固體硫酸鋁中質量分數為0.026%。因此，確定溶解絡合劑的溶劑配比 V（乙醇）∶V（水）=1∶3。

圖1 溶解絡合劑的溶劑配比對除鐵效果的影響

2.2 絡合劑加入量對除鐵效果的影響

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

圖2 絡合劑用量對除鐵效果的影響

2.3 溶液酸度對除鐵效果的影響

在其他條件不變的情況下，考察溶液酸度對除鐵效果和鋁損失率的影響，結果見表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，當溶液中氫離子濃度為0.5 mol/L時，鐵去除率達到95.21%，此時溶液中鐵質量濃度為33.48 mg/L，硫酸鋁質量濃度為154.69 g/L，鐵在固體硫酸鋁中質量分數為0.022%。所以選用體系中的氫離子濃度為0.5 mol/L。

表1 溶液酸度對除鐵效果的影響

2.4 反應時間對除鐵效果的影響

圖3 反應時間對除鐵效果的影響

在其他條件不變的情況下，考察反應時間對除鐵效果和鋁損失率的影響，結果見圖3。由圖3可知，隨著反應時間的延長鐵去除率呈現逐漸增加的趨勢。當反應時間為1 h時鐵去除率為95.4%，此時溶液中鐵質量濃度為32.27 mg/L，硫酸鋁質量濃度為151.4 g/L，鐵在固體硫酸鋁中質量分數為0.021%。隨著反應時間的延長鐵去除率升高，考慮實驗效率因素選擇反應時間為1 h。

2.5 反應溫度對除鐵效果的影響

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

圖4 反應溫度對除鐵效果的影響

3 結論

利用絡合劑N－亞硝基苯胲銨去除硫酸鋁溶液中的鐵效果顯著。實驗結果表明，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、絡合劑用量（以100 mL含鐵硫酸鋁溶液計）為1.4 g、60℃反應1 h條件下，鋁損失率約為10%，鐵去除率為97.8%，此時溶液中鐵質量濃度為15.37 mg/L，硫酸鋁質量濃度為151.74 g/L，鐵在固體硫酸鋁中質量分數為0.01%，優于HG/T 2225—2010《工業硫酸鋁》Ⅱ類一等品質量指標（鐵質量分數≤0.30%）。該工藝流程簡單，操作條件溫和，絡合劑易于制備，特別適合小型工業化生產，對高純硫酸鋁的生產具有積極的技術參考價值。

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