氨（铵、胺）介质中Ferrihydrite的催化相转化研究

论文摘要

铁氧化物是自然界中存在最为广泛的化合物之一,它们几乎遍布全球的各个角落。铁氧化物种类繁多,不同物种之间可以相互转化。因此有关铁氧化物的形成与相转化研究一直十分活跃。其中,以Ferrihydrite（又称为水合氧化铁）为前驱物的相转化过程的研究更为引人注目。本实验室一直致力于研究微量Fe（Ⅱ）存在时Ferrihydrite的催化相转化过程。我们前期的研究工作主要是围绕着以NaOH为沉淀剂制备的Ferrihydrite的催化相转化过程开展的。在研究中发现,不同沉淀剂制备的Ferrihydrite的催化相转化过程存在显著差异。探讨不同沉淀剂对Ferrihydrite催化相转化过程的影响,全面了解在各种条件和环境中Ferrihydrite的催化相转化规律,从而实现对Ferrihydrite的催化相转化产物的掌控,是我们要达到的目标之一。本论文旨在研究近中性环境中微量Fe（Ⅱ）离子存在时以氨水为沉淀剂制备的Ferrihydrite的催化相转化规律,通过探讨无机铵盐、有机胺、铁络合剂等介质中Ferrihydrite的催化相转化过程,力争实现由Ferrihydrite向α-FeOOH的控制转化。由于铁氧化物不仅是重要的化工原料,而且普遍存在于自然环境尤其是地表环境中,有关铁氧化物的转化、制备及性质研究常作为金属氧化物胶体与界面性质研究的模型体系,因此该研究结果一方面对于全面了解Ferrihydrite的催化相转化机理具有重要的理论意义;另一方面,该研究结果对指导α-FeOOH的控制合成具有实际指导价值。同时,我们希望本论文研究结果能成为理论指导实际即机理研究指导控制转化与合成过程的一个范例。本论文主要研究内容及结果如下:（1）系统研究了以NH3·H2O为沉淀剂、FeCl3为原料制备的Ferrihydrite的催化相转化过程。考察了初始pH、相转化温度、Ferrihydrite的微结构、Fe（Ⅱ）离子和Fe（Ⅲ）离子浓度以及升温速率等因素对相转化过程的影响。结果表明:在氨介质中Ferrihydrite的相转化产物为α-FeOOH和/或α-Fe2O3。相转化产物的种类及各晶相产物的数量与温度有很大关系,当T≤40℃时可生成纯相α-FeOOH,40℃<T<80℃时生成的是α-FeOOH和α-Fe2O3的混合物,T≥80℃时可得到纯相α-Fe2O3。在pH 5～9的范围内,低pH和慢的升温速率有利于形成α-FeOOH,高pH和快的升温速率有利于形成α-Fe2O3。上述实验结果可以用Fe（Ⅱ）离子对Ferrihydrite的催化溶解机制和催化固相转化机制进行合理地解释。（2）通过比较NH3·H2O介质和NaOH介质中制备的Ferrihydrite的催化相转化过程,揭示了两种体系存在差别的原因是由于NH4+离子与Fe（Ⅲ）离子之间的络合作用,络合作用的存在一方面可使Fe（Ⅱ）离子与Ferrihydrite中Fe（Ⅲ）离子之间的电子转移受到影响,致使Ferrihydrite溶解速率减慢,从而影响相转化过程;另一方面,溶解下来的Fe（Ⅲ）离子与NH4+形成复合物[Fe（OH）4]-NH4+,此复合物易于进一步转化为阳离子聚合物,因而有利于α-FeOOH的形成。（3）为排除NH4+的影响,以NaOH为沉淀剂制备Ferrihydrite,在六次甲基四胺、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等有机胺存在时,研究了Ferrihydrite在低温近中性环境下的催化相转化规律。利用IR、XRD、TEM等手段对产物进行分析表征。结果表明,上述添加剂均有利于α-FeOOH的形成。该结果同样归因于有机胺中的N与Ferrihydrite中的Fe（Ⅲ）离子之间的络合作用,此络合作用有利于Ferrihydrite转化为α-FeOOH。（4）为排除NH4+的影响,以NaOH为沉淀剂制备Ferrihydrite,研究了在草酸根、F-离子等络合剂存在时Ferrihydrite的催化相转化过程。结果表明:络离子的存在,同样有利于Ferrihydrite转化为α-FeOOH。（5）在上述研究的基础上,找到了由Ferrihydrite向α-FeOOH控制转化的条件,即:以FeCl3(CFe（Ⅲ）=0.5mol/L)为原料,Fe（Ⅱ）离子（nFe（Ⅱ）/nFe（Ⅲ）=0.02）存在时在pH=7,25°C≤T≤40°C条件下加入一定量添加剂制备前驱物Ferrihydrite,添加剂的加入量与添加剂的种类有关。在n六次甲基四胺/nFe（Ⅲ）=1.8,n乙醇胺/nFe（Ⅲ）=2,n二乙醇胺/nFe（Ⅲ） =0.4, n草酸根/nFe（Ⅲ）=0.05,nF-/nFe（Ⅲ）=0.3时均可获得纯相的α-FeOOH。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 FERRIHYDRITE 的研究现状
• 1.1.1 Ferrihydrite 的结构
• 1.1.2 Ferrihydrite 的相转化过程
• 1.2 本实验室研究进展
• 1.3 本论文选题意义及研究内容
• 1.3.1 本论文选题意义
• 1.3.2 本论文研究内容
• 第二章 理论基础知识及实验方法
• 2.1 理论基础知识
• 2.1.1 铁氧化物的结构
• 2.1.2 溶液中的Fe（Ⅲ）离子
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验试剂与仪器
• 2.2.2 溶液的配制
• 2.2.3 分光光度法测定溶液中Fe（Ⅱ）离子和Fe（Ⅲ）离子的浓度
• 2.2.4 Fe（Ⅱ）离子和Fe（Ⅲ）离子浓度的化学分析法
• 2.2.5 在稀酸溶液中的Fe（Ⅲ）浓度随时间变化曲线的测定
• 2.2.6 实验步骤
• 第三章 氨介质中FERRIHYDRITE 的催化相转化行为
• 3.1 初始PH 对FERRIHYDRITE 催化相转化行为的影响
• 3.2 温度对FERRIHYDRITE 催化相转化行为的影响
• 3.3 FERRIHYDRITE 的微结构对其催化相转化行为的影响
• 3.3.1 对Ferrihydrite 微结构的表征
• 3.3.2 Ferrihydrite 的微结构对其催化相转化行为的影响
• 3.4 升温速率对FERRIHYDRITE 催化相转化行为的影响
• 3.5 FE（Ⅱ）的加入量对FERRIHYDRITE 催化相转化行为的影响
• 3.6 FE（Ⅲ）离子浓度对FERRIHYDRITE 催化相转化行为的影响
• 3.7 小结
• 第四章 铵（胺）介质中及铁络合剂存在时FERRIHYDRITE 的催化相转化
• 4⁺离子对Α-FEOOH 形成的影响'>4.1 NH₄⁺离子对Α-FEOOH 形成的影响
• 4.1.1 无机阴离子对Ferrihydrite 催化相转化行为的影响
• 4.1.2 不同碱对Ferrihydrite 催化相转化行为的影响
• 4⁺对Ferrihydrite 催化相转化行为的影响'>4.1.3 NH₄⁺对Ferrihydrite 催化相转化行为的影响
• 4⁺离子对α-FeOOH 形成的影响'>4.1.4 NH₄⁺离子对α-FeOOH 形成的影响
• 4.2 有机胺对Α-FEOOH 形成的影响
• 4.2.1 六次甲基四胺对α-FeOOH 形成的影响
• 4.2.2 乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺对形成α-FeOOH 的影响
• 4.3 草酸根、F-离子等对Α-FEOOH 形成的影响
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢