硫酸亞鐵銨制備的最佳工藝研究

謝建梅，湯婷茜，高紅艷，王亞飛

（黑龍江八一農(nóng)墾大學理學院，黑龍江大慶 163319）

硫酸亞鐵銨[(NH4)2Fe(S O4)2·6H2O]是一種復(fù)鹽，常稱為莫爾鹽，或摩爾鹽，外觀為淡藍綠色單斜晶體，密度1.864 g·cm-3，易溶于水，不易溶于乙醇，亞鐵鹽在空氣中極易被氧化，但形成復(fù)鹽后在空氣中不易被氧化，因此在定量分析中常用來配制亞鐵離子標準溶液。除此之外，在印染工業(yè)可用于媒染劑、制革工業(yè)中用于鞣革、木材工業(yè)中用作防腐劑、醫(yī)藥中用于治療缺鐵性貧血、農(nóng)業(yè)中施用于缺鐵性土壤、畜牧業(yè)中用作飼料添加劑等，還可以與鞣酸、沒食子酸等混合后配置藍黑墨水等，總之，硫酸亞鐵銨的用途十分廣泛，是一種重要的化工原料。

由于硫酸亞鐵銨的制備試驗中涉及稱量、溶解、加熱、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥、目視比色等多個操作過程，作為一個綜合性試驗，成為了大學化學試驗[1-3]中必選試驗。硫酸亞鐵銨的實驗室制備通常分為2步:一是由鐵粉或鐵屑與硫酸反應(yīng)制取硫酸亞鐵；二是由硫酸亞鐵與一定量的硫酸銨反應(yīng)，利用硫酸亞鐵銨的溶解度比組成的每一組分的溶解度都要小的特點，經(jīng)過蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶，從而制得硫酸亞鐵銨晶體。

研究硫酸亞鐵銨制備的報道很多[4-12]，但鮮少有研究影響硫酸亞鐵銨產(chǎn)率和產(chǎn)品級別的主次因素的報道。在充分考慮影響產(chǎn)品產(chǎn)率和級別的可能因素基礎(chǔ)上，研究分別從鐵粉用量、硫酸濃度、反應(yīng)溫度、硫酸銨用量、是否隔絕空氣等方面探討制備硫酸亞鐵銨的優(yōu)化試驗條件，在單因素基礎(chǔ)上，進行四因素三水平正交試驗，對影響硫酸亞鐵銨產(chǎn)率和產(chǎn)品級別的主要因素進行分析，并優(yōu)化出最佳制備工藝，以期為硫酸亞鐵銨制備試驗結(jié)果的科學性、合理性提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原理

該試驗分2步制備:

（1）鐵屑（粉） 與硫酸作用制得硫酸亞鐵；Fe+H2S O4=FeS O4+H2

（2）生成的硫酸亞鐵與硫酸銨作用，生成溶解度較小的硫酸亞鐵銨。FeS O4+(NH4)2S O4+6H2O=(NH4)2Fe(S O4)2·6H2O

1.2 試驗儀器和試劑

AR224CN型分析天平，奧豪斯公司產(chǎn)品；H J-A2型水浴鍋，邁科諾公司產(chǎn)品；D C-2006型循環(huán)水真空泵，上海方瑞儀器有限公司產(chǎn)品；抽濾瓶、布氏漏斗、錐形瓶、蒸發(fā)皿、滴液漏斗、比色管等。

2 mol/L H2S O4，4 mol/L H2S O4，3 mol/L H2S O4，3 mol/L HCl，0.100 0 g/L Fe3+標準溶液，25%KSCN，9型5%乙醇，硫酸銨（s）（A.R.），鐵粉（A.R.）。

1.3 試驗方法

研究的目的是探討硫酸亞鐵銨制備的最佳工藝，為了減少空氣污染，試驗均采用分析純鐵粉，反應(yīng)在通風廚中進行。

1.3.1 硫酸亞鐵溶液的制備

將盛有鐵粉的250 mL錐形瓶中加入15 mL硫酸，置于水浴上反應(yīng)至無氣泡冒出，水浴溫度控制在50～70℃，反應(yīng)完畢后用熱的去氧蒸餾水補充至溶液原有體積，繼續(xù)加熱2 min，然后趁熱減壓過濾，避免硫酸亞鐵析出，用少量熱的去氧蒸餾水洗滌殘渣，濾液轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿中，用濃度為3 mol/L H2S O4調(diào)節(jié)溶液的pH值為1～2。鐵粉殘渣用吸水紙吸干后稱量。

1.3.2 硫酸亞鐵銨的制備

根據(jù)反應(yīng)的鐵粉量計算出所需硫酸銨的量，稱取并加入到上述硫酸亞鐵溶液中，水浴加熱，攪拌使硫酸銨固體全部溶解后無需再攪拌，繼續(xù)在水浴上加熱濃縮至溶液表面出現(xiàn)晶膜:取下靜止，緩慢冷卻至全部晶體析出，減壓過濾去除母液，用少量體積分數(shù)95%乙醇洗滌晶體，抽干取出，用吸水紙吸干水分，稱量，計算產(chǎn)率和鑒定產(chǎn)品級別。

1.3.3 純度檢驗——目視比色法

分別取0.50，1.00，2.00 mL Fe3+標準溶液于25 mL比色管中，加入2 mL濃度為3 mol/L HCl和1 mL體積分數(shù)25%的KSCN溶液，用去離子水稀釋定容，搖勻，配制成Fe3+標準溶液。含F(xiàn)e3+量分別為0.05 mg（I級），0.10 mg（II級），0.20 mg（III級）。

取1.00 g產(chǎn)品于25 mL比色管中，用15 mL去離子水溶解，再加入2 mL濃度為3 mol/L HCl和1 mL體積分數(shù)25%的KSCN溶液，用去離子水稀釋定容，搖勻，與標準色階進行目視比色，確定產(chǎn)品級別。

2 結(jié)果與分析

分別改變硫酸濃度、鐵粉用量、反應(yīng)溫度、隔絕和不隔絕空氣、硫酸銨用量等5個變量（每個變量時其他條件恒定），其他操作同1.3.1、1.3.2、1.3.3。

接觸空氣程度對反應(yīng)的影響見表1。

從表1可看出，隔絕空氣和立即采取水浴加熱的結(jié)果相差不大，而且隔絕空氣需要采用封閉式裝置，增加了試驗成本。為了降低試驗成本，研究采用開放式裝置立即水浴加熱的反應(yīng)條件。

硫酸濃度的影響見表2，鐵粉用量的影響見表3，反應(yīng)溫度的影響見表4，硫酸銨用量的影響見表5。

表1 接觸空氣程度對反應(yīng)的影響

表2 硫酸濃度的影響

表3 鐵粉用量的影響

表4 反應(yīng)溫度的影響

表5 硫酸銨用量的影響

通過試驗結(jié)果選擇各單因素的最佳值為濃度為3 mol/L的硫酸、鐵粉用量2 g、60℃下水浴加熱、硫酸銨的用量為理論值的0.75倍，產(chǎn)率達94.03%，產(chǎn)品級別優(yōu)于I級，得到的藍綠色單斜多面體光澤好、粒度大、硬度大。

2.2 最佳試驗工藝的確定

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，在采用開放式裝置和立即水浴加熱條件下，對鐵粉用量、硫酸濃度、反應(yīng)溫度、硫酸銨用量4個影響產(chǎn)率和級別的因素在最佳值前后設(shè)計四因素三水平正交試驗，以考查各個因素對硫酸亞鐵銨產(chǎn)率和級別的影響程度。

正交試驗因素與水平設(shè)計見表6，正交試驗設(shè)計及試驗結(jié)果見表7。

表6 正交試驗因素與水平設(shè)計

表7 正交試驗設(shè)計及試驗結(jié)果

由極差分析結(jié)果可以看出，以產(chǎn)率為指標時，各因素影響的主次順序為B＞A＞C＞D，即鐵粉用量＞硫酸濃度＞反應(yīng)溫度＞硫酸銨用量。由K值可確定硫酸亞鐵銨制備的最優(yōu)工藝為A2B2C2D1，而通過正交試驗得出的硫酸亞鐵銨制備的最佳工藝為A3B3C2D1。為此進行了對比試驗，在A2B2C2D1和A3B3C2D1試驗條件下的3次平行試驗結(jié)果的平均得率分別為96.21%和96.47%，且產(chǎn)品級別均為I級以上。所以，硫酸亞鐵銨制備最佳工藝選擇A3B3C2D1。

3 結(jié)論

在采用開放式裝置立即水浴加熱的反應(yīng)條件下，硫酸亞鐵銨制備的最佳工藝條件為濃度4 mol/L的硫酸、鐵粉用量3 g、60℃水浴加熱、硫酸銨的用量為理論值的0.75倍，產(chǎn)率為96.45%，產(chǎn)品級別優(yōu)于I級。

在硫酸亞鐵銨的制備中，影響產(chǎn)率的關(guān)鍵因素是鐵粉與硫酸的物質(zhì)量比。當nFe∶nH2SO4＜0.7時，由于酸過量，加速了Fe2+的氧化，降低了產(chǎn)率和產(chǎn)品級別；當nFe∶nH2SO4≥1時，由于硫酸的消耗殆盡，使溶液pH值增高，又增加了Fe2+的水解，致使產(chǎn)率降低或產(chǎn)品級別下降。所以，鐵粉與硫酸的物質(zhì)量比控制為0.8～0.9。