硫酸亞鐵溶液離子平衡研究

李怡璞，王丹英 （上海一品顏料有限公司，上海 201814）

知識窗

硫酸亞鐵溶液離子平衡研究

李怡璞，王丹英 （上海一品顏料有限公司，上海 201814）

鐵皮法制備的硫酸亞鐵溶液中含有多種重金屬雜質(zhì)離子，加入沉淀劑后，存在電離、水解、沉淀平衡。根據(jù)已有的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，通過化學(xué)平衡的方法對硫酸亞鐵溶液中幾種常見的重金屬離子的沉淀原理進(jìn)行理論分析。

化學(xué)平衡；重金屬離子；硫酸亞鐵溶液

0 引言

鐵與稀硫酸反應(yīng)，可以制備硫酸亞鐵，硫酸亞鐵是生產(chǎn)氧化鐵顏料的一個重要原材料［1］。由于鐵資源的多樣性，鐵皮法制備的硫酸亞鐵溶液中含有Fe2+、SO42-、H+、OH-，以及雜質(zhì)離子Cu2+、Pb2+、Zn2+、Hg2+、Co2+、Ni2+等，加入沉淀劑后會進(jìn)一步引入HS-、S2-等。本研究通過化學(xué)平衡法對硫酸亞鐵溶液中幾種常見重金屬離子的沉淀原理進(jìn)行理論分析。

硫酸亞鐵溶液中存在電離平衡、水解平衡和沉淀的溶解平衡，有許多平衡常數(shù)，如水的離子積Kw、弱酸弱堿的電離常數(shù)（KaKb）、溶度積（Ksp）、水解平衡常數(shù)（Kh）等［2］，以上各種平衡常數(shù)與化學(xué)平衡常數(shù)有著明顯的共性，都是滲透化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用，因此都可借助于平衡方程式來加以分析。

1 硫酸亞鐵溶液中加入沉淀劑后重金屬離子行為

硫酸亞鐵溶液中加入沉淀劑后，體系中很快產(chǎn)生黑色沉淀，即相關(guān)離子形成了相應(yīng)的沉淀物，體系中發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)［3］：

由于溶液中的［S2-］與溶液中的［H+］有關(guān)，再加上氫硫酸是二元弱酸，存在如下電離平衡：

所以，由（1）+（2）+（3），溶液中的反應(yīng)可以寫為：

則，反應(yīng)的平衡常數(shù)為：

由于溶液中H2S分子的溶解度隨溫度和壓力而變化，常溫常壓下，H2S飽和溶液的濃度為0.10 mol/L。按H2S的離解常數(shù)計(jì)算，當(dāng)pH為9時，約99%的H2S以HS-形式存在；當(dāng)pH為7時，HS-與H2S各占1/2；當(dāng)pH為5時，則有99%的硫化氫以H2S的形式存在。以沉淀劑加量為0.005 mol/L計(jì)，整理得：

兩邊取負(fù)對數(shù)，得：

同理可得：

由計(jì)算過程可看出，沉淀的生成受pH和生成沉淀所需離子的共同影響，離子濃度影響了式中的常數(shù)，所以上述一系列式子僅在［H2S］=0.005 mol/L時適用。

溶液中的離子濃度越小，對應(yīng)離子的負(fù)對數(shù)越大，越易于生成沉淀。從計(jì)算結(jié)果可以看出：Hg2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+極易生成硫化物沉淀，且生成的沉淀不溶于酸，隨著pH增大，離子的負(fù)對數(shù)增大，溶液中離子濃度變小，沉淀更完全。

對于Co2+而言，α-型CoS沉淀在低pH時會分解，而轉(zhuǎn)化成β-型CoS沉淀后，則變得非常穩(wěn)定，不再溶于酸。這與Co含量小試的試驗(yàn)結(jié)果一致：（1）當(dāng)pH=1時，無法生成α-型CoS沉淀，當(dāng)pH＞2時，能生成CoS沉淀，且隨著pH的增加，Co含量降低明顯。（2）延長沉淀時間，α-型CoS沉淀會轉(zhuǎn)化成不溶于酸的β-型CoS沉淀。此外，Ni2+的變化規(guī)律與Co2+相同，可以確定α-型NiS沉淀在低pH時溶于酸，延長沉淀時間，α-型NiS沉淀最終轉(zhuǎn)化成溶解度常數(shù)更小的γ-型NiS沉淀。理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，證明了理論方法適用于本研究體系。

對于Fe2+而言，當(dāng)pH大于3時，多余的沉淀劑會與Fe2+反應(yīng)生成黑色沉淀。在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)生產(chǎn)需要選擇合適的沉淀劑加量，并分散均勻，從而充分發(fā)揮沉淀劑的沉淀效果。

2 結(jié)語

控制一定的條件，將硫酸亞鐵溶液中的Hg2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+較徹底地轉(zhuǎn)化為沉淀物在熱力學(xué)上是完全可能的。對于Co2+、Ni2+而言，溶液的pH是影響除雜效果的關(guān)鍵因素，在適宜的pH條件下，延長沉淀時間，有利于生成更穩(wěn)定的沉淀物，達(dá)到更好的除雜效果。此外，添加沉淀劑去除重金屬的程度隨沉淀劑用量的增加而加大，但當(dāng)沉淀劑用量增加到一定程度后，進(jìn)一步增加其用量，對沉淀的促進(jìn)作用并不明顯，所以可按照實(shí)際生產(chǎn)需要調(diào)整沉淀劑的用量。

1 朱驥良，吳申年.顏料工藝學(xué)［M］. 2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

2 傅獻(xiàn)彩.物理化學(xué)［M］. 5版.北京：高等教育出版社，2015.

3 David R. Lide. Handbook of Chemistry and Physics［M］. 78th Edition，1997-1998.

Study on the Ion Equilibrium of Ferrous Sulfate Solution

Li Yipu，Wang Danying （Shanghai Yipin Pigment Co.，Ltd.，Shanghai，201814，China）

Ferrous sulfate solution prepared with scrap process contains a variety of heavy metal impurity ions. After adding precipitation agent，the solution existed ionization balance，hydrolysis balance and precipitation balance. Based on the available thermodynamic data，the precipitation principle of usual heavy metal ions in ferrous sulfate solution was analyzed by the method of chemical equilibrium.

chemical equilibrium；heavy metal ion；ferrous sulfate solution

TQ 622.1+5；TQ 111.17

A

1009-1696（2017）01-0054-02

2016-11-10

李怡璞，女，華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)碩士研究生，現(xiàn)就職于上海一品顏料有限公司著色事業(yè)部，負(fù)責(zé)安全性顏料的技術(shù)研究工作。