一种水热法合成高纯图水羟砷铁矾的方法

摘要

本发明公开了一种水热法合成高纯图水羟砷铁矾的方法。此方法利用三价铁和三价砷为原料，在混合溶液中初始As(III)浓度为1.5‑7.5g/L，控制铁、砷摩尔比为0.8‑1.5、pH值为1.4‑1.8、温度为100‑130℃、水热反应时间为3‑10h，得到的矿物为高纯图水羟砷铁矾。所得矿物纯度高于95％，可为研究其相关性质提供原料。

说明书

技术领域

本发明属于环境工程领域，具体涉及一种水热法合成高纯图水羟砷铁矾的方法。

背景技术

图水羟砷铁矾是目前发现的自然界中唯一一种以亚砷酸、硫酸盐存在的含铁矿物，其化学成分为Fe₆(AsO₃)₄SO₄(OH)₄·4H₂O，其中三价砷含量高达28％，铁砷比仅为1.5。因其存在环境、高砷含量及低铁砷比，有学者提出将其作为一种高效除砷的潜在矿物应用于废水中三价砷的直接去除。然而，因图水羟砷铁矾在自然界中主要以颗粒状分散在黄铁矿、砷黄铁矿、臭葱石和黄钾铁矾等矿物中，难以大量提取，目前对该天然矿物的报道仅是其基础的物理化学参数，如颜色为镉黄色，硬度为3，密度为4.23，属于三斜晶系，分子式为Fe₆(AsO₃)₄SO₄(OH)₄·4H₂O。因此为了实现该矿物在实际中的应用，必需要在实验室的条件下合成并研究了解其相关性质。

目前，国内外有学者尝试在实验室的条件下合成图水羟砷铁矾。Nishimura和Robin(Minerals Engineering.(2008)21:246-251)分别在25℃、60℃、90℃不同的pH下合成tooeleite，推测了其在室温下的稳定存在pH值为2-3.5。刘璟等人(ActaPetrologica et Mineralogica.(2012)31:901-906和SpectrochimicaActa Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy.(2015)134:428-433)通过95℃恒温水浴合成tooeleite，指出pH在2-9范围内均可成矿，并研究了合成物的溶度积常数、标准反应吉布斯自由能、浸出毒性等相关参数。但我们研究发现此类条件下合成的图水羟砷铁矾纯度较低，其中夹杂着大量的无定形铁的矿物，并使得一部分的砷以吸附态的形式存在，加重了其不稳定性，因此其研究所得的相关参数缺乏严谨性且会产生很大偏差。则合成高纯图水羟砷铁矾对了解其相关性质并实现其实际应用十分必要。

本发明用水热法合成高纯图水羟砷铁矾，所得矿物纯度高于95％，可为研究其相关性质提供原料，并为其能否作为一种稳定化固砷矿物提供参考。

发明内容

本发明提供了一种利用水热法合成高纯图水羟砷铁矾的方法，该方法操作简单，所得样品晶型好、纯度高，为研究其相关性质提供了原料。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种水热法合成高纯图水羟砷铁矾的方法，包括以下步骤：

(1)Fe(III)、As(III)摩尔比为0.8-1.5的三价砷和三价铁溶液混合，调整溶液pH值1.4-1.8；

(2)将混合液倒入反应釜，100-130℃水热反应一段时间；

(3)反应结束后，溶液冷却静置，而后抽滤，真空烘干，所得产物即为图水羟砷铁矾晶体化合物Fe₆(AsO₃)₄SO₄(OH)₄·4H₂O。

步骤(1)的三价砷溶液浓度为1.5-7.5g/L。

步骤(1)的三价铁为硫酸铁。

步骤(1)所述Fe(III)、As(III)摩尔比优选为1.5。

步骤(1)所述混合溶液的pH值优选调整为1.6。

步骤(2)所述水热反应温度优选控制在120℃。

步骤(2)所述水热反应时间控制为3-10h。

附图说明

图1为不同温度下所得样品XRD图(pH 1.8，Fe/As＝1.5)；

图2为不同pH下所得样品XRD图(Fe/As＝1.5，120℃)；

图3为不同铁砷比下所得样品XRD图(pH 1.6,120℃)；

图4为pH 1.6、Fe/As＝1.5、120℃下样品SEM图。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明，而不是对本发明的限定。

实施例1

配制0.2M As(III)和0.3M Fe(III)溶液作为储备原液，分别取20ml充分混合后，调节溶液pH为1.8。将此溶液倒入容量为100ml的反应釜中，放入烘箱，分别设定温度为105-150℃，温度升至设定温度开始计时，在此温度下反应6h，而后让其自然冷却。0.45μm的滤膜抽滤后，于60℃下真空烘干。

图1为不同温度下所得样品的XRD图。由图1可以看出，135℃以下所有峰均为图水羟砷铁矾的特征峰，且温度越高，峰宽度越窄、强度越高，显示所得样品重图水羟砷铁矾晶型更好、纯度更高。而高于135℃，黄钠铁矾特征峰开始出现，且温度越高其特征峰越明显。因此认为合成高纯图水羟砷铁矾的温度应为135℃以下。

实施例2

配制0.2M As(III)和0.3M Fe(III)溶液作为储备原液，分别取20ml充分混合后，调节溶液pH为1.2-1.8。将此溶液倒入容量为100ml的反应釜中，放入烘箱，分别设定温度为120℃，温度升至设定温度开始计时，在此温度下反应6h，而后让其自然冷却。0.45μm的滤膜抽滤后，于60℃下真空烘干。

图2为不同pH下所得样品的XRD图。由图2可以看出，除pH1.2条件下生成样为黄钠铁矾，其余实验pH条件下所得产物均为图水羟砷铁矾，且pH1.6条件下所得样品晶型最好。

实施例3

配制0.2M As(III)和0.2M、0.3M、0.4MFe(III)溶液作为储备原液，分别取20ml As(III)与不同浓度等体积Fe(III)充分混合后，调节溶液pH为1.6。将此溶液倒入容量为100ml的反应釜中，放入烘箱，分别设定温度为120℃，温度升至设定温度开始计时，在此温度下反应6h，而后让其自然冷却。0.45μm的滤膜抽滤后，于60℃下真空烘干。

图3为不同铁砷比下所得样品的XRD图。由图3可以看出，铁砷比大于2即有黄钠铁矾特征峰出现，而铁砷比小于2时，铁砷比越大，所得样品晶型越好。

实施例4

图4为优选条件pH 1.6、Fe/As＝1.5、120℃下所得样品SEM图。由SEM图可知，其形貌为片状堆积的花瓣状结构，无其他形貌的出现，证明其为高纯图水羟砷铁矾。