CN106929875A - 一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法 - Google Patents

一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，包括以下步骤：制备电镀液和电镀装置，采用双阳极电镀法，选择粗糙并且表面带有麻点、裂缝的碳片作为镀铁阴极，即阴极碳片，进行电镀，制备得到含有铁镀层的碳电极；制作电解槽装置，将电镀出的含有镀铁层的碳电极用蒸馏水冲洗并干燥；用NaOH中浸泡；得到的材料作为阳极材料，放置在阳极室内；碳棒作为阴极材料，放置在阴极室内；调节电压控制阴极电流密度为135A/m3，在混合碱溶液中电解，制备高铁酸盐。本发明利用碳片粗糙表面，结合电镀方法，在碳片表面镀上铁，得到的单质铁具有较好的活泼性能，本发明高铁酸盐的产率得到了显著提高，同时有效地克服了直接利用铸铁或铁丝网为阳极出现的铁表面钝化的问题。

Description

一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法
技术领域
本发明属于化学化工领域，具体地说，涉及一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法。
背景技术
高铁酸盐是具有正六价的高价铁的含氧酸盐，在污水处理、杀菌消毒、电池能源等领域有一定的应用价值。目前合成高铁酸盐的方法主要有高温熔融氧化法、次氯酸盐氧化法和电解法。熔融法虽然可批量生产，但设备要求苛刻并且操作危险；次氯酸盐氧化法成本虽低，但操作程序复杂，污染较大，生产难成规模；电解法虽产率低、能耗大，但相对于高温熔融氧化法、次氯酸盐氧化法来说，电解法操作简单，不存在较大的操作危险性。但传统电解过程中铁阳极易钝化，阻碍高铁酸的制备。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种碳片镀铁阳极电化学制备高铁酸盐的方法，包括以下步骤：
步骤1、含有铁镀层的碳电极的制备：制备电镀液和电镀装置，电镀装置包括电镀槽，所述电镀槽1内盛放有电镀液，电镀液内且在电镀槽的两端各放置有一个阳极碳棒，两个阳极棒通过第一导线相连接，电镀液内且在两个阳极碳棒之间设置有阴极碳片，阴极碳片上连接有第二导线；采用双阳极电镀法，选择粗糙并且表面带有麻点、裂缝的碳片作为镀铁阴极，即阴极碳片，进行电镀，制备得到含有铁镀层的碳电极；
步骤2、制备高铁酸盐：制作电解槽装置，电解槽装置包括电解槽，电解槽内设置有电解液，电解槽的两端设置有阴极室，中间为阳极室，阴极室和阳极室之间用Nafion117阳离子交换膜15隔开；将步骤1中电镀出的含有镀铁层的碳电极用30-40℃的蒸馏水冲洗并干燥；用NaOH中浸泡2分钟，去除表面的残余酸；得到的材料作为阳极材料，放置在阳极室内，阳极材料上连接有第四导线；碳棒作为阴极材料，放置在阴极室内，碳棒上连接有第三导线；调节电压控制阴极电流密度为135A/m3，在体积为750ml，浓度为14mol/L，VNaOH：VKOH＝3:1的混合碱溶液中电解，制备高铁酸盐。
进一步地，每升电镀液中含有50-600g氯化亚铁、2-50g氯化钠、0-5g氯化锰、0-10g硼酸，余量为水。
进一步地，每升电镀液中含有350g氯化亚铁、10g氯化钠、1g氯化锰、5g硼酸，余量为水。
进一步地，步骤1)中的电镀条件为：电镀液浓度为0.35g/ml，时间为35-45min：温度为25-40℃，pH控制为1-2，电镀电流密度为10A/dm2。
进一步地，阴极室与阳极室中的电解液体积之比为V两阴极室总体积/V阳极室体积＝1:5～5:1。
进一步地，NaOH的质量浓液为20％-30％。
进一步地，步骤2中的电解液为浓度为14mol/L，VNaOH：VKOH＝3:1的混合碱溶液。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明针对电化学合成高铁酸盐工艺中直接使用铸铁、铁丝网等铁源做阳极材料出现的阳极易钝化问题，利用碳片粗糙表面，结合电镀方法，在碳片表面镀上铁，得到的单质铁具有较好的活泼性能，与利用铁片为阳极电化学合成高铁酸盐相比，高铁酸盐的产率得到了显著提高，反应90min通过镀铁阳极制备得到的的高铁酸盐浓度可以达到31mmol/L，而用铁片做阳极制备得到的高铁酸盐浓度只有6.6mmol/L(图3)，同时有效地克服了直接利用铸铁或铁丝网为阳极出现的铁表面钝化的问题。
2)本发明利用碳片镀铁，一方面利用碳片表面的粗糙程度，有效地提高了阳极材料的比表面积，另一方面，利用电镀工艺得到的单质铁，具有较高的活泼性能，极易在电化学环境下转化成为六价高铁酸根离子。
3)本发明主要是利用电镀手段合成电化学制备高铁酸盐阳极材料，镀铁载体可以是碳片，也可以是一些具有较高比表面积的载体。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明电镀装置的结构示意图；
图2是本发明电解槽的结构示意图；
图3是本发明铁片与镀铁碳片对高铁酸盐合成的影响；
图4是本发明电镀时间对高铁酸盐合成的影响；
图5是本发明电镀温度对高铁酸盐合成的影响；
图6是本发明FeCl2浓度对高铁酸盐合成的影响。
图中，1.电镀槽，2.电镀液，3.阳极碳棒，4.阴极碳片，5.第一导线，6.第二导线，7.第三导线，8.电解槽，9.电解液，10.碳棒，11.阳极材料，12.第四导线，13.阴极室，14.阳极室，15.Nafion117阳离子交换膜。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，包括以下步骤：
步骤1、含有铁镀层的碳片的制备：选择电镀液配方：每升电镀配方中含有50-600g氯化亚铁、2-50g氯化钠、0-5g氯化锰、0-10g硼酸，余量为水，优选的，每升电镀配方中含有350g氯化亚铁、10g氯化钠、1g氯化锰、5g硼酸，余量为水；控制温度在25-40℃，pH控制在1-2左右，配制电镀液本发明采用双阳极电镀法，选择粗糙并且表面带有麻点、裂缝的碳片作为镀铁阴极，电镀电流密度为10A/dm2，电镀装置如图1所示，电镀装置包括电镀槽1，所述电镀槽1内盛放有电镀液2，电镀液2内且在电镀槽1的两端各放置有一个阳极碳棒3，两个阳极棒3通过第一导线5相连接，所述电镀液2内且在两个阳极碳棒3之间设置有阴极碳片4，所述阴极碳片4上连接有第二导线6，其中，阴极碳片4即为要镀铁的碳片。
步骤2、高铁酸盐的制备
如图2所示电解槽装置，包括电解槽8，电解槽8内设置有电解液9，两边为阴极室13，中间为阳极室14；V两阴极室总体积/V阳极室体积＝1:5～5:1。阴、阳两极室之间用Nafion117阳离子交换膜15隔开，以阻止生成的高铁酸盐进入阴极室13被还原成低价铁。将步骤1中电镀出的含有镀铁层的碳电极用30-40℃的蒸馏水冲洗并干燥；在质量浓液为20％-30％的NaOH中浸泡约2分钟，去除电极表面的残余酸；得到的材料作为阳极材料11，放置在阳极室14内，阳极材料11上连接有第四导线12；碳棒10作为阴极材料，放置在阴极室13内，碳棒10上连接有第三导线7；在体积为750ml，浓度为14mol/L，VNaOH：VKOH＝3:1的混合碱溶液中电解制备高铁酸盐，调节电压控制阴极电流密度为135A/m3。
实施例1
一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，包括以下步骤：
步骤1、含有铁镀层的碳片的制备：选择电镀液配方：每升电镀配方中含有350g氯化亚铁、10g氯化钠、1g氯化锰、5g硼酸，余量为水；控制温度在35℃，pH控制在1.5左右，配制电镀液本发明采用双阳极电镀法，选择粗糙并且表面带有麻点、裂缝的碳片作为镀铁阴极，电镀电流密度为10A/dm2，电镀装置如图1所示，电镀装置包括电镀槽1，所述电镀槽1内盛放有电镀液2，电镀液2内且在电镀槽1的两端各放置有一个阳极碳棒3，两个阳极棒3通过第一导线5相连接，所述电镀液2内且在两个阳极碳棒3之间设置有阴极碳片4，所述阴极碳片4上连接有第二导线6，其中，阴极碳片4即为要镀铁的碳片。
步骤2、高铁酸盐的制备
如图2所示电解槽装置，包括电解槽8，电解槽8内设置有电解液9，两边为阴极室13，中间为阳极室14；V两阴极室总体积/V阳极室体积＝3:1。阴、阳两极室之间用Nafion117阳离子交换膜15隔开，以阻止生成的高铁酸盐进入阴极室13被还原成低价铁。将步骤1中电镀出的含有镀铁层的碳电极用30-40℃的蒸馏水冲洗并干燥；在质量浓液为25％的NaOH中浸泡约2分钟，去除电极表面的残余酸；得到的材料作为阳极材料11，放置在阳极室14内，阳极材料11上连接有第四导线12；碳棒10作为阴极材料，放置在阴极室13内，碳棒10上连接有第三导线7；在体积为750ml，浓度为14mol/L，VNaOH：VKOH＝3:1的混合碱溶液中电解制备高铁酸盐，调节电压控制阴极电流密度为135A/m3。
实施例2
一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，包括以下步骤：
步骤1、含有铁镀层的碳片的制备：选择电镀液配方：每升电镀配方中含有50g氯化亚铁、50g氯化钠、0g氯化锰、10g硼酸，余量为水，控制温度在25℃，pH控制在2，配制电镀液本发明采用双阳极电镀法，选择粗糙并且表面带有麻点、裂缝的碳片作为镀铁阴极，电镀电流密度为10A/dm2，电镀装置如图1所示，电镀装置包括电镀槽1，所述电镀槽1内盛放有电镀液2，电镀液2内且在电镀槽1的两端各放置有一个阳极碳棒3，两个阳极棒3通过第一导线5相连接，所述电镀液2内且在两个阳极碳棒3之间设置有阴极碳片4，所述阴极碳片4上连接有第二导线6，其中，阴极碳片4即为要镀铁的碳片。
步骤2、高铁酸盐的制备
如图2所示电解槽装置，包括电解槽8，电解槽8内设置有电解液9，两边为阴极室13，中间为阳极室14；V两阴极室总体积/V阳极室体积＝1:5。阴、阳两极室之间用Nafion117阳离子交换膜15隔开，以阻止生成的高铁酸盐进入阴极室13被还原成低价铁。将步骤1中电镀出的含有镀铁层的碳电极用40℃的蒸馏水冲洗并干燥；在质量浓液为20％的NaOH中浸泡约2分钟，去除电极表面的残余酸；得到的材料作为阳极材料11，放置在阳极室14内，阳极材料11上连接有第四导线12；碳棒10作为阴极材料，放置在阴极室13内，碳棒10上连接有第三导线7；在体积为750ml，浓度为14mol/L，VNaOH：VKOH＝3:1的混合碱溶液中电解制备高铁酸盐，调节电压控制阴极电流密度为135A/m3。
实施例3
一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，包括以下步骤：
步骤1、含有铁镀层的碳片的制备：选择电镀液配方：每升电镀配方中含有600g氯化亚铁、2g氯化钠、5g氯化锰、0g硼酸，余量为水；控制温度在40℃，pH控制在1，配制电镀液本发明采用双阳极电镀法，选择粗糙并且表面带有麻点、裂缝的碳片作为镀铁阴极，电镀电流密度为10A/dm2，电镀装置如图1所示，电镀装置包括电镀槽1，所述电镀槽1内盛放有电镀液2，电镀液2内且在电镀槽1的两端各放置有一个阳极碳棒3，两个阳极棒3通过第一导线5相连接，所述电镀液2内且在两个阳极碳棒3之间设置有阴极碳片4，所述阴极碳片4上连接有第二导线6，其中，阴极碳片4即为要镀铁的碳片。
步骤2、高铁酸盐的制备
如图2所示电解槽装置，包括电解槽8，电解槽8内设置有电解液9，两边为阴极室13，中间为阳极室14；V两阴极室总体积/V阳极室体积＝5:1。阴、阳两极室之间用Nafion117阳离子交换膜15隔开，以阻止生成的高铁酸盐进入阴极室13被还原成低价铁。将步骤1中电镀出的含有镀铁层的碳电极用30-40℃的蒸馏水冲洗并干燥；在质量浓液为30％的NaOH中浸泡约2分钟，去除电极表面的残余酸；得到的材料作为阳极材料11，放置在阳极室14内，阳极材料11上连接有第四导线12；碳棒10作为阴极材料，放置在阴极室13内，碳棒10上连接有第三导线7；在体积为750ml，浓度为14mol/L，VNaOH：VKOH＝3:1的混合碱溶液中电解制备高铁酸盐，调节电压控制阴极电流密度为135A/m3。
下面结合具体的实验数据来说明本发明的技术效果：
1、铁片与镀铁碳片对高铁酸盐浓度的影响
将铁片与镀铁碳片分别作为阳极材料制备高铁酸盐，镀铁碳片的制备条件：控制电镀液浓度为0.35g/ml，电流密度为10A/dm2，电镀温度为30℃，电镀时间为20min。电镀得到的镀铁材料，由于碳片表面凹凸不平，镀层表面并不光滑均匀。再取一块与碳片面积相同的铁片，浸泡在浓碱中1h，去除铁片表面的电镀层。对比两者作为阳极材料对制备高铁酸盐影响。如图3所示，在相同电解条件下镀铁碳片比铁片为阳极材料制备高铁酸钾效率要高。镀铁碳片为阳极，电解90min高铁酸盐的浓度为31.3mmol/L。这可能是由于铁片表面整体容易发生钝化，而镀铁碳片存在粗糙表面，电镀铁后，表面不平整，在电解合成高铁酸盐过程中，各个电解点之间独立进行，不易出现整体钝化，若发生钝化也只是局部钝化，这就大大减缓了铁层由于钝化造成的阻碍高铁酸钾的生成；同时刚电镀出来的铁层未和空气中的氧气发生反应形成氧化层，也有利于高铁酸盐的制备；由此可知镀铁碳片相较于铁片更有利于高铁酸盐的制备；镀铁碳片为阳极，电解90min后，高铁酸盐浓度变化不大，并呈现平缓下降的趋势，这是由于高铁酸盐溶液稳定性相对较差，有部分高价铁被还原。
2、电镀时间对高铁酸盐浓度的影响
控制电镀液浓度为0.35g/ml，电流密度为10A/dm2，电镀温度为30℃，考察不同电镀时间对高铁酸盐的浓度影响情况。如图4所示：当电镀时间为20min时，电解生成的高铁酸盐速率较快，电解时间90min时，高铁酸盐的浓度为31.3mmol/L。在90min以后高铁酸盐的产率几乎没有增长反倒开始下降，是因为电镀时间过短，镀层太薄，镀铁层很快被消耗殆尽。没有继续产生高铁酸盐，造成一部分高铁酸盐氧化分解。当电镀时间为30min时，高铁酸盐相对于20min的条件下有所增长。但是，在电解210min时高铁产率呈现下降趋势，这说明该时间段镀层仍然相对较薄，无法持久的电解出高铁酸盐。当电镀时间为40min时，相较于其他三组高铁酸盐的浓度最高，在电解270min时，高铁酸盐浓度可达55mmol/L。而当电镀时间为50min时，镀层相对较厚，电解80min时，高铁酸盐浓度就开始下降，可能是由于镀层表面发生钝化，阻碍了高铁酸盐的继续生成。因此电镀时间40min为制取高铁酸盐的较佳电镀时间。
3电镀温度对高铁酸盐浓度的影响
控制电镀液浓度为0.35g/ml，电流密度为10A/dm2，电镀时间为40min，考察电镀温度对高铁酸盐浓度的影响。由图5所示，电镀温度为30℃，生成的高铁酸钾浓度较高。而在电镀温度25℃时高铁酸盐的浓度比35℃高，这是因为在温度较高的条件下电镀铁镀层时，由于电镀液温度较高，容易导致部分亚铁离子转化成三价铁离子而形成胶状氢氧化铁，氢氧化铁具有很强的吸附性，在电极上会吸附H+和Fe2+。在镀层上沉积形成麻点，使镀层发脆，内应力增大；形成的三价铁即便未形成胶状氢氧化铁，也将在阴极被还原成二价铁，导致阴极电流效率降低，从而无法达到理想的镀层厚度。因此电镀温度在30℃为宜。
4电镀液浓度变化对高铁酸盐浓度的影响
以电流密度为10A/dm2，电镀时间为40min，电镀温度为30℃。考察电镀液浓度对高铁酸盐浓度的影响。如图6所示：氯化亚铁的浓度对高铁酸盐浓度的制备并无太大影响。在镀液浓度在0.35g/ml左右时镀液对镀铁层的影响相差很小。在0.25g/ml时才有略微差别。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、含有铁镀层的碳电极的制备：制备电镀液(2)和电镀装置，电镀装置包括电镀槽(1)，所述电镀槽1内盛放有电镀液(2)，电镀液(2)内且在电镀槽(1)的两端各放置有一个阳极碳棒(3)，两个阳极棒(3)通过第一导线(5)相连接，所述电镀液(2)内且在两个阳极碳棒(3)之间设置有阴极碳片(4)，所述阴极碳片(4)上连接有第二导线(6)；采用双阳极电镀法，选择粗糙并且表面带有麻点、裂缝的碳片作为镀铁阴极，即阴极碳片(4)，进行电镀，制备得到含有铁镀层的碳电极；
步骤2、制备高铁酸盐：制作电解槽装置，电解槽装置包括电解槽(8)，电解槽(8)内设置有电解液(9)，电解槽(8)的两端设置有阴极室(13)，中间为阳极室(14)，阴极室(13)和阳极室(14)之间用Nafion117阳离子交换膜15隔开；将步骤1中电镀出的含有镀铁层的碳电极用30-40℃的蒸馏水冲洗并干燥；用NaOH中浸泡2分钟，去除表面的残余酸；得到的材料作为阳极材料(11)，放置在阳极室(14)内，阳极材料(11)上连接有第四导线(12)；碳棒(10)作为阴极材料，放置在阴极室(13)内，碳棒(10)上连接有第三导线(7)；调节电压控制阴极电流密度为135A/m3，在电解液中电解，制备高铁酸盐。
2.根据权利要求1所述的基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，其特征在于，所述每升电镀液中含有50-600g氯化亚铁、2-50g氯化钠、0-5g氯化锰、0-10g硼酸，余量为水。
3.根据权利要求2所述的基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，其特征在于，所述每升电镀液中含有350g氯化亚铁、10g氯化钠、1g氯化锰、5g硼酸，余量为水。
4.根据权利要求1所述的基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，其特征在于，所述步骤1中的电镀条件为：电镀液浓度为0.35g/ml，时间为35-45min：温度为25-40℃，pH控制为1-2，电镀电流密度为10A/dm2。
5.根据权利要求1所述的基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，其特征在于，所述阴极室与阳极室中的电解液体积之比为V两阴极室总体积/V阳极室体积＝1:5～5:1。
6.根据权利要求1所述的基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，其特征在于，所述NaOH的质量浓液为20％-30％。
7.根据权利要求1所述的基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法，其特征在于，步骤2中的电解液为浓度为14mol/L，VNaOH：VKOH＝3:1的混合碱溶液。
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