一种黑色砷酸铁晶体及其合成方法技术

本发明专利技术公开了一种黑色砷酸铁晶体，该黑色砷酸铁晶体为微米级花瓣状颗粒，颗粒尺寸为10～20μm，外观特征为黑色粉末；其化学式为Fe

Black arsenic iron crystal and synthetic method thereof

The present invention discloses a black arsenic iron crystal, the black arsenic iron crystal is a micron size petal shaped granule, the particle size is 10~20 m, the appearance is characterized by black powder, and the chemical formula is Fe

【技术实现步骤摘要】
一种黑色砷酸铁晶体及其合成方法
本专利技术涉及晶体合成
，更具体涉及一种黑色砷酸铁晶体及其合成方法。
技术介绍
近年来，砷作为常见的环境污染物受到了广泛关注。在除砷工艺中，铁盐法较硫化法和石灰中和法更具优势，这表现在1)针对高浓度含砷废水可以通过共沉淀形成砷酸铁化合物除砷；2)针对低浓度含砷废水可以利用铁的氧化物及氢氧化物进行吸附除砷。因此，砷酸铁化合物是含砷废水处理中常见的废渣。除了无定型相，砷酸铁还包括结晶水含量不同的多种晶体，如FeAsO4·0.75H2O(Ferricorthoarsenateorferricarsenatesub-hydrate)、FeAsO4·2H2O(Scoroditeandparascorodite)、FeAsO4·3.5H2O(Kaňkite)等。臭葱石FeAsO4·2H2O由于稳定性高、含砷量高(～32％)、易于液固分离、含水低等优点被公认是目前最佳的固砷矿物。臭葱石是一种斜方晶系晶体，研究者提出了两种不同的微观结构模型，即双齿双核结构和双齿单核模型[GeochimicaetCosmochimicaActa,2008,72:2649-2672.&GeochimicaetCosmochimicaActa,2010,74:4597-4602.]。但热力学研究发现FeAsO4·2H2O是亚稳态物质，可以由FeAsO4转化得到，也可以进一步转化为FeAsO4·3.5H2O。FeAsO4·3.5H2O比FeAsO4·2H2O更稳定，但FeAsO4·3.5H2O的微观结构尚不明确，推测其具有与Fe2(SO4)(AsO4)(OH)·9H2O(Bukovskyite)类似的链状结构[Hydrometallurgy117–118(2012)47–56]。最近，研究者认为FeAsO4·0.75H2O也具有比臭葱石更低的溶解度[Hydrometallurgy164(2016)136–140.]。砷酸铁化合物的合成及结构研究有利于探索含砷废水的新型处理技术，以及改善现有砷酸铁渣的长期稳定性。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是如何提高As的去除率，而提供一种黑色砷酸铁晶体及其合成方法。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种黑色砷酸铁晶体，该黑色砷酸铁晶体为微米级花瓣状颗粒，颗粒尺寸为10～20μm，外观特征为黑色粉末；其化学式为Fe6(AsO4)5；其衍射峰为2θ＝～13.9，16.0，21.2，24.9，25.2，27.8，28.4，29.1，30.5，32.3，34，34.2。本专利技术还提供了所述黑色砷酸铁晶体的合成方法，该合成方法包括如下步骤：步骤一：采用硝酸铁、砷酸钠、硝酸和去离子水配置合成溶液，其中Fe/As的摩尔比为1.0～2.0，As浓度为0.02～0.21mol/L，硝酸浓度为0.26～2.6mol/L；步骤二：将醇与步骤一得到的合成溶液按体积比例混合得到混合溶液，其中醇的体积控制在10％～50％，得到混合溶液；步骤三：将步骤二得到的混合溶液按填充量50～80％装入高压反应釜，密封后加热进行反应，反应温度为160～200℃，反应时间为8～24小时；步骤四：反应完成后自然冷却至室温，打开反应釜将其中的固、液产物转入离心管以转速4000～6000rpm离心10～20min，上清液用于分析残余Fe、As浓度，固体用乙醇和水各冲洗3～4遍并于35～45℃真空条件下烘干，即得。优选地，在步骤一中，所述的Fe/As的摩尔比为1.5，As浓度为0.21mol/L，硝酸浓度为2.6mol/L。优选地，在步骤二中，所述的醇包括甲醇、乙醇、异丙醇或叔丁醇。优选地，在步骤二中，所述的醇为异丙醇；所述混合溶液中异丙醇的体积控制在50％。优选地，在步骤三中，所述的混合溶液按填充量80％装入不锈钢高压反应釜；所述反应温度为200℃，反应时间为8小时。优选地，在步骤四中，所述的离心转速为5000rpm，离心时间为10min。优选地，所述合成方法包括如下步骤：步骤一：采用硝酸铁、砷酸钠、硝酸和去离子水配置合成溶液，其中Fe/As的摩尔比为1.5，As浓度为0.21mol/L，硝酸浓度为2.6mol/L；步骤二：将异丙醇与步骤一得到的合成溶液按体积比例混合得到混合溶液，其中异丙醇的体积控制在50％，得到混合溶液；步骤三：将步骤二得到的混合溶液按填充量80％装入不锈钢高压反应釜，所述反应温度为200℃，反应时间为8小时；步骤四：反应完成后自然冷却至室温，打开反应釜将其中的固、液产物转入离心管以转速5000rpm离心10min，上清液用于分析残余Fe、As浓度，固体用乙醇和水各冲洗3遍并于40℃真空条件下烘干，即得。(三)有益效果按照本专利技术合成方法将臭葱石的合成溶液按体积比例与醇混合，在同样的高压水热条件下得到一种新型砷酸铁晶体。该新型砷酸铁为黑色、几乎不含结晶水的花瓣状晶体颗粒，因此，外观形貌及微观结构均有别于浅绿色、含两个结晶水的双锥状臭葱石晶体。另外，该新型砷酸铁晶体合成中Fe、As的去除率均大于97％，而臭葱石合成中Fe、As的去除率仅为89～90％，因此，该新型黑色砷酸铁晶体相较于臭葱石具有更好的除砷应用潜力。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。本专利技术实施例中黑色晶体、臭葱石等合成产物的外观颜色具有明显的差异：硝酸体系合成的NO3-臭葱石为蓝绿色粉末，硫酸体系合成的SO4-臭葱石为绿色粉末，硝酸-异丙醇混合体系合成的黑色砷酸铁晶体Fe6(AsO4)5为黑色粉末，硝酸-异丙醇混合体系中不含砷时合成的氧化铁Fe2O3为红色粉末。以上所述晶体的微观结构表征如附图所示：图1是本专利技术实施例中NO3-臭葱石，SO4-臭葱石，黑色砷酸铁晶体Fe6(AsO4)5和氧化铁Fe2O3的XRD结果；图2是本专利技术实施例中黑色砷酸铁晶体Fe6(AsO4)5的电子衍射斑；图3是本专利技术实施例中采用不同醇合成的黑色砷酸铁晶体(甲醇-Fe6(AsO4)5、乙醇-Fe6(AsO4)5、异丙醇-Fe6(AsO4)5、叔丁醇-Fe6(AsO4)5)和NO3-臭葱石的表面XPS(a)Fe2p,(b)As3d；图4是本专利技术实施例中采用不同醇合成的黑色砷酸铁晶体(甲醇-Fe6(AsO4)5、乙醇-Fe6(AsO4)5、异丙醇-Fe6(AsO4)5、叔丁醇-Fe6(AsO4)5)的XRD结果；图5是本专利技术实施例中不同反应温度、反应时间所得黑色砷酸铁晶体的XRD结果；图6是本专利技术实施例中(a)NO3-臭葱石，(b)SO4-臭葱石及不同合成温度下所得黑色砷酸铁晶体((c)160℃-Fe6(AsO4)5，(d)180℃-Fe6(AsO4)5，(e)200℃-Fe6(AsO4)5，(f)200℃-Fe6(AsO4)5)的SEM结果；图7是本专利技术实施例中NO3-臭葱石及不同合成温度下所得黑色砷酸铁晶体的热重结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的实施方式作进一步详细描述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种黑色砷酸铁晶体，其特征在于，该黑色砷酸铁晶体为微米级花瓣状颗粒，颗粒尺寸为10～20μm，外观特征为黑色粉末；其化学式为Fe

【技术特征摘要】
1.一种黑色砷酸铁晶体，其特征在于，该黑色砷酸铁晶体为微米级花瓣状颗粒，颗粒尺寸为10～20μm，外观特征为黑色粉末；其化学式为Fe6(AsO4)5；其衍射峰为2θ＝～13.9，16.0，21.2，24.9，25.2，27.8，28.4，29.1，30.5，32.3，34，34.2。2.权利要求1所述的黑色砷酸铁晶体的合成方法，其特征在于，该合成方法包括如下步骤：步骤一：采用硝酸铁、砷酸钠、硝酸和去离子水配置合成溶液，其中Fe/As的摩尔比为1.0～2.0，As浓度为0.02～0.21mol/L，硝酸浓度为0.26～2.6mol/L；步骤二：将醇与步骤一得到的合成溶液按体积比例混合得到混合溶液，其中醇体积为10％～50％，得到混合溶液；步骤三：将步骤二得到的混合溶液按填充量50-80％装入高压反应釜，密封后加热进行反应，反应温度为160～200℃，反应时间为8～24小时；步骤四：反应完成后自然冷却至室温，打开反应釜将其中的固、液产物转入离心管以转速4000～6000rpm离心10～20min，上清液用于分析残余Fe、As浓度，固体用乙醇和水各冲洗3～4遍并于35-45℃真空条件下烘干，即得。3.根据权利要求2所述的黑色砷酸铁晶体的合成方法，其特征在于，在步骤一中，所述的Fe/As的摩尔比为1.5，As浓度为0.21mol/L，硝酸浓度为2.6mol/L。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴立元，李青竹，杨锦琴，王庆伟，闵小波，杨志辉，王海鹰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43