一種簡易測量鐵材料中零價鐵含量的方法
2023-10-05 13:13:29
一種簡易測量鐵材料中零價鐵含量的方法
【專利摘要】本發明提出一種簡易測量鐵材料中零價鐵含量的方法。該方法選用三價鐵離子測量鐵材料中零價鐵含量，包括配製三價鐵離子溶液，調節初始pH值，加入絡合劑或螯合劑調節反應速度，調節反應溫度及其他環境條件，向混合溶液加入待測試鐵材料，反應數小時後，取溶液過濾、消解，測定濾液中總鐵含量等步驟。該方法操作簡單、成本低廉、測量結果準確可靠，適用於種類、成分及尺寸各不相同的鐵材料中零價鐵含量的測定，如鐵刨花、毫米及微米級鐵粉、老化及新鮮納米鐵顆粒等。
【專利說明】一種簡易測量鐵材料中零價鐵含量的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種簡易測量鐵材料中零價鐵含量的方法，屬於水處理【技術領域】，具體為選用三價鐵離子測量鐵材料中零價鐵含量，包括配製三價鐵離子溶液，調節初始PH值，加入絡合劑或螯合劑調節反應速度，調節反應溫度及其他環境條件，向混合溶液加入待測試鐵材料，反應數小時後，取溶液過濾、消解、稀釋，測定濾液中總鐵含量等步驟。
【背景技術】
[0002]鐵材料由於具有低毒、廉價、易操作且對環境不會產生二次汙染等優點，使其在重金屬及難降解有機物的去除中應用越來越受到重視，零價鐵能夠還原去除多種有毒有害汙染物，被認為是最有應用前景的汙染物治理技術之一。
[0003]鐵材料在環境領域的應用越來越廣泛，其來源與種類也越來越豐富，不同材料在表面結構、比表面積、成分含量、粒徑等各項參數上存在較大差異。現用於環境領域的鐵材料按尺寸區分，主要有納米零價鐵，微米及毫米級別鐵粉，各種不同大小廢鐵屑、加工廢料，如鐵刨花等。其中納米零價鐵的製作工藝有實驗室溼法合成、氫氣還原、氣相沉積及機械加工等工藝，研究證實不同工藝所製作的納米材料中零價鐵的含量存在顯著地差異；鐵粉按粒徑大小可分為毫米鐵粉及微米鐵粉，鐵刨花成亦有尺寸較大及較小之分，且不同鐵材料加工產生的刨花，其零價鐵的含量也存在差異；即使是同種工藝生產的鐵材料，由於原料、產地、儲存時間及腐蝕程度的差別，零價鐵的含量也不盡相同。在工程實踐中，如何鑑別不同鐵材料中零價鐵成分及其環境使用性能，以及如何測定環境領域鐵材料使用壽命及為鐵材料存儲提供保質期，是一個涉及工程實施和保證質量的根本問題。
[0004]在工程應用中，鐵材料用於去除汙染物，隨著反應時間延長，鐵材料中零價鐵含量也相應的減少。鐵材料反應器運行的各項工藝參數，如鐵材料投加量、循環使用時間、排泥時間等都需要據根據鐵材料中零價鐵含量及其在反應器中使用壽命來進行設計。目前由於鐵材料中零價鐵含量的測定尚無簡易可行的方法，鐵材料反應器中的各項工藝參數主要是根據工程師的經驗來設定，這將導致鐵材料投加過量或者投加不足。如鐵材料投加過量，不僅會引起資源浪費，而且還將導致後續處理工藝更加繁瑣及影響出水水質。如利用納米零價鐵去除重金屬的工藝中，納米零價鐵的過量投加會導致出水中含有大量的納米顆粒難以去除，增加後續沉澱池的負擔及懸浮在出水中的負載著重金屬的納米零價鐵顆粒會導致出水質難以達標。如鐵材料的投加量不足,水質處理難以達標。由此可知,在工程應用中，必須準確測定鐵材料中零價鐵含量。
[0005]在環境領域，現有測定鐵材料中零價鐵含量的方法有定性方法、半定量的方法、定量方法三種。定性方法包括掃描電鏡圖(SEM圖)、比表面積(BET)等。SEM圖能反映鐵材料的局部表面特徵，表徵其表面的氧化程度，但不能定量分析鐵材料中的零價鐵的含量；BET能表徵鐵材料的比表面積，一般認為同種尺寸的鐵材料氧化程度越高，其BET就越小，但也存在異常的情況；但對於不同種類及尺寸不同的鐵材料，BET分析往往難以奏效。半定量分析包括X射線衍射分析(XRD)、X射線螢光光譜分析(XRF)等。XRD及XRF對於鐵材料的半定量分析具有很大的局限性。當鐵材料中的鐵氧化物或者零價鐵含量低於某一數值時，XRD及XRF分析往往難以檢測出。當鐵氧化物或零價鐵含量較高時，XRD及XRF分析即使能檢測出相應的物質，但不能定量分析其含量。
[0006]現有定量分析方法包括Cu2+氧化及H2還原法。如文獻中John E.Martin等人用Cu2+與零價鐵反應，根據Cu2+消耗量測量鐵材料中零價鐵含量。但此方法中Cu2+與零價鐵的反應產物包括Cu與Cu2O,且兩者並無一定的比例關係。但在計算零價鐵含量時，Cu2O的含量常被忽略，根據Cu2+的減少量計算，這種方法所測零價鐵含量往往偏高。H2還原法是利用H2與鐵材料中鐵氧化物發生還原反應，從而測定反應產物H2O的生成量，計算零價鐵含量。而鐵材料表中氧化物的形態有Fe203、Fe3O4, FeOOH等，且各形態之間沒有比例關係，根據測定的氧含量不可能準確地計算零價鐵的含量。可見，H2還原法不僅需要很繁瑣的設備及操作步驟，而且所測定結果的準確性較差。
[0007]因此，對於鐵材料中零價鐵含量的測定，有必要尋找一種簡便可行、測量結果準確可靠的方法，為環境領域應用的鐵材料質量規範化及工程應用中各項工藝參數的設計提供借鑑。
【發明內容】
[0008]本發明為解決如下問題:(I)環境領域應用的鐵材料來源廣泛，質量參差不齊，而在實驗研究及工程應用實踐中，對於鐵材料質量的測量缺乏統一的標準和簡易測量方法，目前相關鑑別方法可靠度差、手段複雜、對儀器設備要求高；(2)在工程實施中，鐵材料在存儲及使用過程中會逐漸老化，對於其壽命的測定至今缺乏定量方法，致使工程應用中鐵材料更新時間難以確定，本發明提出一種簡易測量鐵材料中零價鐵含量的方法。該方法選用三價鐵離子測量鐵材料中零價鐵含量，包括配製三價鐵離子溶液，調節初始PH值，加入絡合劑或螯合劑調節反應速度，調節反應溫度及其他環境條件，向混合溶液加入待測試鐵材料，反應數小時後，取溶液過濾、消解，測定濾液中總鐵含量等步驟。該方法操作簡單、成本低廉、測量結果準確可靠，適用於種類、成分及尺寸各不相同的鐵材料中零價鐵含量的測定，如鐵刨花、毫米及微米級鐵粉、老化及新鮮納米鐵顆粒等。
[0009]本發明提出的簡易測量鐵材料中零價鐵含量的方法，配製含一定濃度Fe3+測試溶液，向Fe3測試溶液中投加鐵材料，反應一定時間後，向溶液中加入整合劑或絡合劑，最後計算Fe3+測試溶液中溶解態鐵元素增量，具體步驟如下:
(1)配製Fe3+測試溶液濃度為0.1 - 2 g / L，控制Fe3+溶液pH為1.3 - 2.5、溶解氧濃度小於I mg / L ；
(2)向步驟(1)所得Fe3+溶液中加入鐵材料反應1-2小時，調節速度梯度G值為700s—1-1000 S—1 ;控制鐵材料加入量為初始Fe3+溶液中三價鐵離子質量的0.3 - 0.5倍；
(3)向步驟(3)所得溶液中投加螯合劑與絡合劑，控制螯合劑與絡合劑的濃度為O-3.0 g/L ;繼續反應2-22小時，調節速度梯度G值為700 s—1 - 1000 s—1 ；
(4)取步驟(3)所得溶液過濾，測量濾液中溶解鐵元素的增量；設M為鐵材料投加量，g !C0^C1分別為初始溶液及反應完全後溶液中三價鐵離子濃度，g/L ；V為溶液體積，L ;根據如下公式計算鐵材料中零價鐵含量:
Quao = (C1-C0) XV/M 本發明中，測試溶液進一步包含促進零價鐵溶解且生成穩定化合物的絡合劑或螯合劑及一種以上，以上物質應滿足如下條件:
(a)不能溶解鐵材料中鐵氧化物，
(b)與Fe2+結合生成穩定的產物，
(C)產物能完全溶於水。
[0010]本發明中，步驟(3)中所述螯合劑或絡合劑為乙二胺四乙酸鹽、磺基水楊酸鹽或硫氰酸鹽中一種以上。
[0011]本發明中，整個反應過程中，控制溶解氧濃度小於lmg/L。
[0012]本發明中，Fe3+測試溶液包含FeCl3、Fe2 (SO4) 3等。
[0013]本發明中，對於尺寸較大的鐵材料應相應的延長反應時間，且相應地多投加絡合劑或螯合劑。
[0014]本發明的有益效果如下:
(1)本發明可完全溶解鐵材料中零價鐵，對於鐵氧化物如Fe2O3及Fe3O4等無溶解能力(如附圖2、3所示)，避免了鐵氧化物溶解帶來的誤差；
(2)本發明中所使用的FeCl3或Fe2(SO4)3等三價鐵鹽易溶於水、無腐蝕性且價格低廉，適合作為測量鐵材料中零價鐵含量的藥劑；
(3)本發明中所使用的乙二胺四乙酸鹽、磺基水楊酸鹽、硫氰酸鹽等均為實驗室常用藥齊U，價格低廉，易於購買；
(4)本發明僅需在無氧條件下，使用Fe3+溶液溶解析出鐵材料中零價鐵，利用常規儀器測定總鐵濃度，操作簡單，易於實現；
(5)本發明可定量分析不同鐵材料的優劣，同時為工程實施提供參數設計依據，避免鐵材料投加過量或不足影響出水水質。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1標準鐵材料經測試後溶液中鐵元素增量隨時間的變化；
圖2溶液中鐵元素增量與標準鐵材料投加量之間的關係；
圖3 FexOy經測定後溶液中鐵元素增量隨時間的變化。
【具體實施方式】
[0016]下面通過具體實施例進一步說明本發明。
[0017]本發明中，具體實施例1、2中所用鐵材料分別為標準還原鐵粉(購買於阿拉丁試齊[J，純度98%，粒徑400目)、鐵氧化物混合物。
[0018]實施例1:
配製2 g/L的Fe3+溶液I L，調節溶液的初始pH為2，通入N2條件下，控制溶液中溶解氧濃度低於lmg / L ;通過電動攪拌機調節速度梯度G值為800 s—1，加入0.1 g真空乾燥後標準還原鐵粉；反應2小時後，向混合液中加入乙二胺四乙酸(EDTA)I g,繼續反應10小時，調節速度梯度G值為700 S-1 - 1000 S-1 ;反應完後,取溶液過濾,測試溶解鐵元素的含量；依據權利要求1步驟4中的公式計算零價鐵的含量。
[0019]然後依據上述的反應條件，分別測試0.2 g、0.5 g、l g真空乾燥後標準還原鐵粉中零價鐵含量。
[0020]溶液中溶解態鐵元素增量隨時間變化如圖1所示，溶液中溶解態鐵元素增量隨鐵樣投加量變化如圖1所示。
[0021]實施例2:
配製2 g/L的Fe3+溶液I L，調節溶液的初始pH為2，通入N2條件下，控制溶液中溶解氧的濃度低於Img / L ;通過電動攪拌機調節速度梯度G值為8005 g鐵氧化物混
合物(Fe304、Fe203> FeOOH按質量比1:1:1混合)；反應2小時後，向混合液中溶液中加EDTAI g，繼續反應10小時，調節速度梯度G值為700 s—1 - 1000 s—1 ;反應完後，取溶液過濾，測試溶解鐵元素的含量；依據權利要求1步驟4中的公式計算零價鐵的含量。
[0022]溶液中溶解態鐵元素增量隨時間變化如圖3所示。
【權利要求】
1.一種簡易測量鐵材料中零價鐵含量的方法，其特徵在於配製含一定濃度Fe3+測試溶液，向Fe3測試溶液中投加鐵材料，反應一定時間後，向溶液中加入整合劑或絡合劑，最後計算Fe3+測試溶液中溶解態鐵元素增量，具體步驟如下: (1)配製Fe3+測試溶液濃度為0.1 - 2 g / L，控制Fe3+溶液pH為1.3 - 2.5、溶解氧濃度小於I mg / L ； (2)調節速度梯度G值為700s—1 - 1000 s—1，向步驟(1)所得Fe3+溶液中加入鐵材料反應1-2小時；控制鐵材料加入量為初始Fe3+溶液中三價鐵離子質量的0.3 - 0.5倍； (3)向步驟(3)所得溶液中投加螯合劑與絡合劑，控制螯合劑與絡合劑的濃度為O-3.0 g/L ;繼續反應2-22小時，調節速度梯度G值為700 s—1 - 1000 s—1 ； (4)取步驟(3)所得溶液過濾，測量濾液中溶解鐵元素的增量；設M為鐵材料投加量，g !C0^C1分別為初始溶液及反應完全後溶液中三價鐵離子濃度，g/L ；V為溶液體積，L ;根據如下公式計算鐵材料中零價鐵含量: Q(w/w)= (C1-C0)XVM。
2.根據權利要求1所述的測試方法，其特徵在於測試溶液進一步包含促進零價鐵溶解且生成穩定化合物的絡合劑或螯合劑及一種以上，以上物質應滿足如下條件: (1)不能溶解鐵材料中鐵氧化物， (2)與Fe2+結合生成穩定 的產物， (3)產物能完全溶於水。
3.根據權利要求1所述的測試方法，其特徵在於步驟(3)中所述螯合劑或絡合劑為乙二胺四乙酸鹽、磺基水楊酸鹽或硫氰酸鹽中一種以上。
4.根據權利要求1所述的測試方法，其特徵在於整個反應過程中，控制溶解氧濃度小於 I mg / L0
【文檔編號】G01N33/20GK104034858SQ201410243365
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】李少林, 雷轟, 劉一源, 張穎純 申請人:同濟大學