專利名稱：一種高鐵酸鹽的合成方法以及其用作藻類脫水劑的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種合成高鐵酸鹽的新方法以及將其用作藻類脫水劑的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
高鐵酸根(FeO42-)具有空間四面體結(jié)構(gòu)，其在酸堿介質(zhì)中的氧化還原電位分別為2.20V和0.72V(R.H.Wood，J.Am.Chem.Soc.，Vol.80，p.2038-2041(1957))。在水中其四個氧原子等價，且慢慢地與水分子中的氧原子進(jìn)行交換(J.Gump，W.Wagner，and E.Hart，Anal.Chem.，Vol.24.，p.1497-1498(1952))。
由于高鐵酸鹽是一種比高錳酸鉀、臭氧和氯氣的氧化能力還強的強氧化劑，在整個pH范圍內(nèi)都具有氧化性，能與許多無機和有機還原劑反應(yīng)，而且高鐵酸根(FeO42-)反應(yīng)還原生成的Fe3+能產(chǎn)生聚合絮凝作用，因此高鐵酸鹽在有機合成和水處理方面具有美好的應(yīng)用前景。由于高鐵酸根在所有氧化反應(yīng)中，最終產(chǎn)物是無毒性的Fe3+，因而具有環(huán)境友好氧化劑的特征。
高鐵酸鹽早在1720年被德國化學(xué)和物理學(xué)家Geor Stahl首次發(fā)現(xiàn)，其實驗室合成始于1897年。自發(fā)現(xiàn)以來一直有人從事實驗室植被及其工業(yè)化生產(chǎn)研究，但至今仍未形成大家認(rèn)可的成熟工藝，這主要是因為高鐵酸鹽的制備方法比較復(fù)雜，操作條件比較苛刻，產(chǎn)品回收率偏低、穩(wěn)定性差，終未實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，這也嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用。
目前公知的三種合成高鐵酸鹽的方法是次氯酸鹽氧化法、電解法和熔融法。
次氯酸鹽氧化法于1950年由Hrostowski和Scott提出，產(chǎn)品純度可達(dá)96.9％，但產(chǎn)率極低，不超過10～15％。Thomposn等人對上述方法從制備和純化兩個過程進(jìn)行了改進(jìn)，產(chǎn)率可提高到44～76％(Thomposn G.W.，Ockerman L.T.，and Schreyer J.M.，J.Am.Chem.Soc.，Vol.73.，p.1379-1381(1951))。目前，國內(nèi)外關(guān)于高鐵酸鹽的制備的報道大多以Thomposn等提出的制備方法為基礎(chǔ)，針對某些環(huán)節(jié)的具體問題提出了一些改進(jìn)，但該法還是難以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化。
電解法制備高鐵酸鹽是通過電解以鐵為陽極的堿性氫氧化物溶液來實現(xiàn)的。該法操作簡單，原材料消耗少，但耗電高，副產(chǎn)品較多，純化過程復(fù)雜，效率低。
熔融法采用過氧化物高溫氧化鐵的氧化物制備高鐵酸鹽。由于該法容易引起爆炸，操作條件苛刻，比較危險，難于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，故目前很少采用。
另外，本發(fā)明還涉及將高鐵酸鹽用作藻類脫水劑的應(yīng)用。
藻類是分布最廣，也是最能吃苦的生物之一，不論是地球的兩極，接近沸騰的溫泉，或是在比海水咸上十倍的鹽水湖中，它都能夠生長。即使在沙漠中，它也能夠生存下去。在湖泊和河流里，藻類依賴污物孳生繁衍。隨著社會、經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人類對水源環(huán)境的污染和破壞也日益嚴(yán)重，水體中氮、磷含量的增多引起水源水體富營養(yǎng)化，從而導(dǎo)致藻類的大量繁殖。
國內(nèi)大部分自來水廠多采用地面水源，分別取自江河、湖泊和水庫。隨著富營養(yǎng)化水域面積的擴大和程度的加重，藻類已日益成為以地表緩流水域，如湖泊為水源的自來水廠深為頭疼的問題。自來水廠的氣浮藻渣是在氣浮除藻工藝過程中產(chǎn)生的殘渣，它與水形成一種膠體狀的粘稠物，漂浮在水上構(gòu)成工業(yè)廢渣。
長期的研究表明，藻渣較難處理，原因有兩點(1)濕藻渣的含水率約為97％，藻渣與水形成一個比較穩(wěn)定的體系，難以分離。(2)藻渣的量很大，難以找到合理的處理途徑。
有些水廠將其隨便棄置在廠外，臭味很大，影響環(huán)境衛(wèi)生；有些水廠則干脆將其回流入湖泊，但這樣做的后果是形成了一個藻類循環(huán)，增加了湖泊的含藻量，并且可能使藻類產(chǎn)生一定的耐藥性，增加了今后藻類處理的難度。
在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，藻渣用板框濾機脫水效果較好。脫水前要投藥處理，一般藥劑用石灰加三氯化鐵或石灰加聚鋁，相對而言，后者脫水后的濾餅含水率較低，約為78％。藻渣的最終出路一般是制沼氣、制磚或制肥。但目前三種做法都有一定的問題。
直接處理方面用板框濾機脫藻渣水效果雖然較好，但脫水前要投藥處理，而且脫水率低，僅有22％左右。另外，所用藥劑一般為石灰加三氯化鐵或石灰加聚鋁，而含氯物的加入在水中容易產(chǎn)生鹵代烴等致癌副產(chǎn)物，聚鋁絮凝劑的加入將會因為鋁離子的殘留積累而危害人體健康，從而帶來二次污染。
制肥方面主要是利用水處理的藻渣和城市污水處理廠所產(chǎn)污泥為主要有機肥原料，配以無機化肥制成各種作物專用混配肥，如CN 1 155 529A，CN 1 158 328A，CN 1 097 409A等提出的方法，由于所用藻渣的含水率為5～30％，通常采用干燥法，這樣既造成水的浪費，又污染環(huán)境。
由于自來水廠的藻渣屬于不可降解物，有毒有機物如三氯甲烷含量較高，目前的處理方法不能將這一嚴(yán)重危害身體健康的物質(zhì)處理掉而不造成二次污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種合成高鐵酸鹽的新方法，是在混合器中將鐵鹽和過氧化物或超氧化物混合均勻，裝入反應(yīng)釜置于諧振腔內(nèi)，用紅外溫度計測量溫度，調(diào)節(jié)微波源陽極電流及腔體短路活塞控制諧振腔內(nèi)場強，維持反應(yīng)溫度焙燒反應(yīng)混合物，真空冷卻得到高鐵酸鹽的粗產(chǎn)品，該合成方法開發(fā)容易、方便、安全；還可以制備鈉鹽、鉀鹽和其它陽離子鹽。
本發(fā)明還公開了純化高鐵酸鹽的方法。
一種高鐵酸鹽的合成方法，合成步驟如下a.在混合器中將鐵鹽與過氧化物或超氧化物按質(zhì)量比＝(0.5～2.0)∶(1.5～6.0)混合均勻；b.混合物裝入反應(yīng)釜并置于諧振腔內(nèi)，在微波輸出功率不低于50W微波輻射下，維持反應(yīng)溫度焙燒反應(yīng)混合物，用過氧化物或超氧化物將鐵鹽氧化為高鐵酸鹽，混合物反應(yīng)溫度為300±50～1000±50℃，焙燒時間為2min～15h；c.真空冷卻得到高鐵酸鹽的粗產(chǎn)品；d.按粗產(chǎn)品(g)∶6M氫氧化鉀水溶液(ml)∶飽和的氫氧化鉀水溶液(ml)＝(2.0～8.0)∶(20～60)∶(20～60)，用6M氫氧化鉀水溶液洗滌粗產(chǎn)品；洗液過濾加入到冰浴中的飽和氫氧化鉀溶液中；維持溫度20℃下，加入固體氫氧化鉀至飽和，繼續(xù)冷凍至沉淀完畢，過濾得到固體物和濾液；用6M的氫氧化鉀水溶液漂洗固體物；洗液過濾加入到冰浴中的飽和氫氧化鉀水溶液中；維持溫度20℃下，加入固體氫氧化鉀至飽和，繼續(xù)冷凍至沉淀完畢，過濾得到固體高鐵酸鉀和濾液；e.用乙醚真空下干燥固體高鐵酸鉀的提純品，然后真空保存。
上述的鐵鹽與過氧化物或超氧化物以固態(tài)混合。
上述的過氧化物為過氧化鈉或過氧化鉀或過一硫酸氫鉀；超氧化物為超氧化鉀。
上述的鐵鹽為含有+2和+3價氧化態(tài)的鐵原子的化合物；高鐵酸鹽是鐵原子為+4價以上氧化態(tài)存在的鐵酸鹽。
上述的微波源功率連續(xù)可調(diào)。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種環(huán)境友好藻類脫水劑，能深度脫出藻渣中的水，并將藻渣中有機物質(zhì)氧化，而且不會對環(huán)境造成二次污染。即將高鐵酸鹽以最終產(chǎn)品形式或以堿性溶液形式或以粗產(chǎn)品形式或生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含有高鐵酸鹽的溶液形式加入藻類將其氧化絮凝，實現(xiàn)脫水以及渣與水的有效分離。高鐵酸鹽用量為10～5000ppm，中等程度攪拌2～15min，攪拌后靜置5～30min，過濾。
具體實施例方式本發(fā)明通過以下實施例及應(yīng)用實例進(jìn)一步說明。
實施例一a.均勻混合2.0g硫酸鐵和10.0g過一硫酸氫鉀；b.裝入反應(yīng)器中置于諧振腔內(nèi)；c.用紅外溫度計測量溫度，調(diào)節(jié)微波輸出功率為700W及腔體短路活塞控制諧振腔內(nèi)場強，維持反應(yīng)溫度為700±50℃，焙燒反應(yīng)混合物10min；d.真空冷卻c得到高鐵酸鹽的粗產(chǎn)品；e.用25ml 6M氫氧化鉀水溶液洗滌d粗產(chǎn)物；f.洗液過濾進(jìn)入在冰浴中的25ml飽和的氫氧化鉀溶液；g.維持溫度20℃下，加入固體氫氧化鉀至飽和，繼續(xù)冷凍至沉淀完畢，過濾得到固體物和濾液；h.用15ml 6M的氫氧化鉀水溶液漂洗g固體物；I.洗液過濾到在冰浴中的25ml飽和的氫氧化鉀水溶液中；j.重復(fù)g得到固體高鐵酸鉀和濾液；k.用乙醚真空下干燥固體高鐵酸鉀，然后真空保存。
實施例二a.將3.0g三氧化二鐵和6.0g過氧化鈉混合均勻；b.裝入反應(yīng)器中置于諧振腔內(nèi)；c.用紅外溫度計測量溫度，調(diào)節(jié)微波輸出功率為800W及腔體短路活塞控制諧振腔內(nèi)場強，維持反應(yīng)溫度為800±50℃，焙燒反應(yīng)混合物6min；d.真空冷卻c得到高鐵酸鹽的粗產(chǎn)品；e.用50ml 6M氫氧化鉀水溶液洗滌d粗產(chǎn)物；f.洗液過濾進(jìn)入在冰浴中的50ml飽和的氫氧化鉀溶液；g.維持溫度20℃下，加入固體氫氧化鉀至飽和，繼續(xù)冷凍至沉淀完畢，過濾得到固體物和濾液；h.用30ml 6M的氫氧化鉀水溶液漂洗g固體物；i.洗液過濾到在冰浴中的50ml飽和的氫氧化鉀水溶液中；j.重復(fù)g得到固體高鐵酸鉀和濾液；k.用乙醚真空下干燥固體高鐵酸鉀，然后真空保存。
實施例三a.將3.0g三氧化二鐵和7.0g過氧化鉀混合均勻；b.裝入反應(yīng)器中置于諧振腔內(nèi)；c.用紅外溫度計測量溫度，調(diào)節(jié)微波輸出功率為500W及腔體短路活塞控制諧振腔內(nèi)場強，維持反應(yīng)溫度為400±50℃，焙燒反應(yīng)混合物10h；d.真空冷卻c得到高鐵酸鹽的粗產(chǎn)品；e.用50ml 6M氫氧化鉀水溶液洗滌d粗產(chǎn)物；f.洗液過濾進(jìn)入在冰浴中的50ml飽和的氫氧化鉀溶液；g.維持溫度20℃下，加入固體氫氧化鉀至飽和，繼續(xù)冷凍至沉淀完畢，過濾得到固體物和濾液；h.用30ml 6M的氫氧化鉀水溶液漂洗g固體物；i.洗液過濾到在冰浴中的50ml飽和的氫氧化鉀水溶液中；j.重復(fù)g得到固體高鐵酸鉀和濾液；k.用乙醚真空下干燥固體高鐵酸鉀，然后真空保存。
實施例四a.將1.5g三氧化二鐵和4.0g超氧化鉀混合均勻；b.裝入反應(yīng)器中置于諧振腔內(nèi)；c.用紅外溫度計測量溫度，調(diào)節(jié)微波輸出功率為550W及腔體短路活塞控制諧振腔內(nèi)場強，維持反應(yīng)溫度為500±50℃焙燒反應(yīng)混合物6h；d.真空冷卻c得到高鐵酸鹽的粗產(chǎn)品；e.用30ml 6M氫氧化鉀水溶液洗滌d粗產(chǎn)物；f.洗液過濾進(jìn)入在冰浴中的30ml飽和的氫氧化鉀溶液；g.維持溫度20℃下，加入固體氫氧化鉀至飽和，繼續(xù)冷凍至沉淀完畢，過濾得到固體物和濾液；h.用20ml 6M的氫氧化鉀水溶液漂洗g固體物；i.洗液過濾到在冰浴中的30ml飽和的氫氧化鉀水溶液中；j.重復(fù)g得到固體高鐵酸鉀和濾液；k.用乙醚真空下干燥固體高鐵酸鉀，然后真空保存。
實施例五
a.將2.0g氧化亞鐵和4.0g過氧化鉀混合均勻；b.裝入反應(yīng)器中置于諧振腔內(nèi)；c.用紅外溫度計測量溫度，調(diào)節(jié)微波輸出功率為700W及腔體短路活塞控制諧振腔內(nèi)場強，維持反應(yīng)溫度為800±50℃焙燒反應(yīng)混合物8min；d.真空冷卻c得到高鐵酸鹽的粗產(chǎn)品；e.用40ml 6M氫氧化鉀水溶液洗滌d粗產(chǎn)物；f.洗液過濾進(jìn)入在冰浴中的40ml飽和的氫氧化鉀溶液；g.維持溫度20℃下，加入固體氫氧化鉀至飽和，繼續(xù)冷凍至沉淀完畢，過濾得到固體物和濾液；h.用20ml 6M的氫氧化鉀水溶液漂洗g固體物；I.洗液過濾到在冰浴中的40ml飽和的氫氧化鉀水溶液中；j.重復(fù)g得到固體高鐵酸鉀和濾液；k.用乙醚真空下干燥固體高鐵酸鉀，然后真空保存。
實施例六a.將3.0g硫酸亞鐵和4.0g過氧化鈉混合均勻；b.裝入反應(yīng)器中置于諧振腔內(nèi)；c.用紅外溫度計測量溫度，調(diào)節(jié)微波輸出功率為600W及腔體短路活塞控制諧振腔內(nèi)場強，維持反應(yīng)溫度為500±50℃焙燒反應(yīng)混合物6h；d.真空冷卻c得到高鐵酸鹽的粗產(chǎn)品；e.用30ml 6M氫氧化鉀水溶液洗滌d粗產(chǎn)物；f.洗液過濾進(jìn)入在冰浴中的30ml飽和的氫氧化鉀溶液；g.維持溫度20℃下，加入固體氫氧化鉀至飽和，繼續(xù)冷凍至沉淀完畢，過濾得到固體物和濾液；h.用20ml 6M的氫氧化鉀水溶液漂洗g固體物；I.洗液過濾到在冰浴中的30ml飽和的氫氧化鉀水溶液中；j.重復(fù)g得到固體高鐵酸鉀和濾液；k.用乙醚真空下干燥固體高鐵酸鉀，然后真空保存。
應(yīng)用實例一取某自來水廠的含水率約97％的氣浮藻渣100g，加入50ml實施例一的第g步濾液，攪拌2min，靜止5min，過濾得到約120ml液體。脫水率約72.2％。
應(yīng)用實例二取某自來水廠的含水率約97％的氣浮藻渣100g，加入10mg實施例一的固態(tài)產(chǎn)品，攪拌5min，靜止10min，過濾得到約77ml液體。脫水率約79.4％。
應(yīng)用實例三取某自來水廠的含水率約97％的氣浮藻渣100g，加入100mg實施例二的第d步粗產(chǎn)品，攪拌2min，靜止5min，過濾得到約74ml液體。脫水率約76.3％。
應(yīng)用實例四取某自來水廠的含水率約97％的氣浮藻渣100g，加入10mg實施例二的固態(tài)產(chǎn)品，攪拌5min，靜止10min，過濾得到約80ml液體。脫水率約82.5％。
應(yīng)用實例五取某自來水廠的含水率約97％的氣浮藻渣100g，加入50ml實施例三的第g步濾液，攪拌2min，靜止5min，過濾得到約126ml液體。脫水率約78.4％。
應(yīng)用實例六取某自來水廠的含水率約97％的氣浮藻渣100g，加入50ml實施例三的第j步濾液，攪拌2min，靜止5min，過濾得到約128ml液體。脫水率約80.4％。
應(yīng)用實例七取某自來水廠的含水率約97％的氣浮藻渣100g，加入10mg實施例四的固態(tài)產(chǎn)品，攪拌5min，靜止10min，過濾得到約82ml液體。脫水率約84.5％。
應(yīng)用實例八取某自來水廠的含水率約97％的氣浮藻渣100g，加入10mg實施例五的固態(tài)產(chǎn)品，攪拌5min，靜止10min，過濾得到約80ml液體。脫水率約82.5％。
應(yīng)用實例九取某自來水廠的含水率約97％的氣浮藻渣100g，加入10mg實施例六的固態(tài)產(chǎn)品，攪拌5min，靜止10min，過濾得到約79ml液體。脫水率約81.4％。
權(quán)利要求
1.一種高鐵酸鹽的合成方法，合成步驟如下a.在混合器中將鐵鹽與過氧化物或超氧化物按質(zhì)量比＝(0.5～2.0)∶(1.5～6.0)混合均勻；b.混合物裝入反應(yīng)釜并置于諧振腔內(nèi)，在微波輸出功率不低于50W微波輻射下，維持反應(yīng)溫度焙燒反應(yīng)混合物，用過氧化物或超氧化物將鐵鹽氧化為高鐵酸鹽，混合物反應(yīng)溫度為300+50～1000±50℃，焙燒時間為2min～15h；c.真空冷卻得到高鐵酸鹽的粗產(chǎn)品；d.按粗產(chǎn)品(g)∶6M氫氧化鉀水溶液(ml)∶飽和的氫氧化鉀水溶液(ml)＝(2.0～8.0)∶(20～60)∶(20～60)，用6M氫氧化鉀水溶液洗滌粗產(chǎn)品；洗液過濾加入到冰浴中的飽和氫氧化鉀溶液中；維持溫度20℃下，加入固體氫氧化鉀至飽和，繼續(xù)冷凍至沉淀完畢，過濾得到固體物和濾液；用6M的氫氧化鉀水溶液漂洗固體物；洗液過濾加入到冰浴中的飽和氫氧化鉀水溶液中；維持溫度20℃下，加入固體氫氧化鉀至飽和，繼續(xù)冷凍至沉淀完畢，過濾得到固體高鐵酸鉀和濾液；e.用乙醚真空下干燥固體高鐵酸鉀的提純品，然后真空保存。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于鐵鹽與過氧化物或超氧化物以固態(tài)混合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于過氧化物為過氧化鈉或過氧化鉀或過一硫酸氫鉀；超氧化物為超氧化鉀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于鐵鹽為含有+2和+3價氧化態(tài)的鐵原子的化合物；高鐵酸鹽是鐵原子為+4價以上氧化態(tài)存在的鐵酸鹽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于微波源功率連續(xù)可調(diào)。
6.一種將高鐵酸鹽用作藻類脫水劑的應(yīng)用，其特征在于高鐵酸鹽以最終產(chǎn)品形式或以合成過程中產(chǎn)生的含有高鐵酸鹽的溶液形式或以粗產(chǎn)品形式加入藻類將其氧化絮凝，高鐵酸鹽用量為10～5000ppm，中等程度攪拌2～15min，攪拌后靜置5～30min，過濾。
全文摘要
一種高鐵酸鹽的合成方法以及其用作藻類脫水劑的應(yīng)用，是在混合器中將鐵鹽和過氧化物或超氧化物混合均勻，裝入反應(yīng)釜置于諧振腔內(nèi)，用紅外溫度計測量溫度，調(diào)節(jié)微波源陽極電流及腔體短路活塞控制諧振腔內(nèi)場強，維持反應(yīng)溫度焙燒反應(yīng)混合物，真空冷卻得到高鐵酸鹽的粗產(chǎn)品，該合成方法開發(fā)容易、方便、安全，將高鐵酸鹽以最終產(chǎn)品或以堿性溶液形式或以粗產(chǎn)品或生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含有高鐵酸鹽的溶液形式加入藻類將其氧化絮凝，實現(xiàn)脫水以及渣與水的有效分離。
文檔編號C02F1/52GK1559917SQ20041002185
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月15日
發(fā)明者王家強, 方華, 李應(yīng), 楊生平 申請人:云南大學(xué)