引文:
[1]大连理工大学无机化学教研室.无机化学实验(第3版)[M].北京:高等教育出版社,2014:167-172.
[2]南京大学.无机及分析化学实验(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2006:173-175.
[3]MOTEAGUDO J M,DURON A,LOPEZ A C.Homogeneous ferrioxalate-assisted solar ohoto-Fenton degradation of oragange aqueous solution[J].Appl.Catal.B Environ.,2008,83(1/2):46-55.
[4]PRATO G D,VASQUEZ M R,HEMANDEZ E M.Solar photoassisted adnvanced oxidation of synthetic phenolic wastewater using feeeioxalate complexes[J].Sol.Energy,2009,83(3):306-315.
[5]熊振湖,于万禄,胡品.日光辐照草酸铁盐体系降解水中低浓度混合药物及产物的生物毒性评价[J].环境科学,2010,31(10):2 336-2 343.
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[7]王凯,王瑞斌.废铁屑制备三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的条件优化[J].榆林学院学报,2011,21(4):60-62.
[8]凌必文,刁海生.三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的合成及结构组成测定[J].安庆师范学院学报(自然科学版),2001,7(4):13-16.
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[10]姜述芹,陈虹锦,梁竹梅,等.三草酸合铁(Ⅲ)酸钾制备实验探索[J].实验室研究与探索,2006,25(10):1 194-1 196.
[11]曹小霞,蒋晓瑜.三草酸合铁(Ⅲ)酸钾合成实验优化[J].长春师范学院学报(自然科学版),2012,31(9):42-45.
[12]唐树和,顾云兰,张根成.三草酸合铁(Ⅲ)酸钾制备实验的探究[J].广州化工,2011,39(3):168-170.
[13]纪永升,吕瑞红,李玉贤,等.硫酸亚铁铵制备三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的实验探索[J].大学化学,2013,28(6):42-45.
[14]肖圣雄,王晓伦,柏爱玲.三草酸合铁(Ⅲ)酸钾合成方法的改进[J].大学化学,2016,31(7):72-76.
[15]李莉,张智,张赛,等.响应面法在试验设计与优化中的应用[J].实验室研究与探索,2015,34(8):41-45.
全文:
三草酸合铁(Ⅲ)酸钾是一种化学光量剂,是制备负载型活性铁催化剂的主要原料,还可以作为一些有机反应的催化剂[1,2]。近期研究表明[3-5],它是一种水溶性均相Fenton-like催化剂,吸收205~500 nm太阳光后以高量子效率产生Fe2+,可催化氧化处理药物、染料废水,因此具有潜在的工业应用前景。合成三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的工艺有多种[6],如以废铁屑为原料[7]直接合成三草酸合铁(Ⅲ)酸钾,亦可以三氯化铁与草酸钾直接合成三草酸合铁(Ⅲ)酸钾[8]。其中,以硫酸亚铁铵和草酸钾为原料,通过氧化还原、沉淀、配位反应等合成三草酸合铁(Ⅲ)酸钾,易发生草酸还原三价铁的副反应,而导致产品色泽差、产率低,有必要对合成的工艺条件进行优化。李芳等[9-11]通过改变操作方式,缩短时间而提高产率。唐树和等[12,13]采用单因素实验从投料比、草酸的加入方式、溶液的p H及反应温度等条件对收率的影响来优化实验,肖圣雄等[14]通过化学平衡理论分析,控制草酸和草酸钾的用量,使平均产率达到87%。本实验通过考察加入量和时间两个方面因素对收率的影响,同时采用Box-Behnken响应面法[15]优化制备条件,使得改进后的制备方案更加合理、更具有操作性,显著改善产品的外观色泽和提高收率,以期为今后三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的规模化生产提供理论参考。1实验部分1.1主要仪器与试剂SUPRA 55 Sapphire型场发射扫描电子显微镜(德国卡尔蔡司公司);MAGNA-IR 550型傅里叶变换红外光谱仪(美国尼高力仪器公司);D/MAX-3C型X-射线衍射仪(日本理学公司)。实验所用试剂均为国产分析纯。1.2原料浓度的确定根据浓度对化学反应的影响,固体药品溶解度以及反应物和生成物的性质,配制1.00 mol/L硫酸亚铁铵溶液、0.50 mol/L草酸溶液、1.00mol/L草酸钾溶液、6%H2O2溶液和0.050 mol/L硫酸溶液。1.3反应温度的确定根据温度对化学反应影响以及反应物和生成物的性质,选择草酸亚铁制备温度为100℃、氧化配位温度和酸溶配位温度均为40℃。1.4合成步骤1.4.1草酸亚铁的制备在150 m L烧杯中加入10 m L(0.05 mol/L)硫酸、3.921 4 g(0.010 mol)硫酸亚铁铵固体,搅拌完全溶解,100℃水浴下,边搅拌边将草酸溶液倒入硫酸亚铁铵溶液中,反应一定时间后,静置至沉淀沉降,去掉清液,每次用50 m L热水多次洗涤沉淀至中性,得到黄色的草酸亚铁沉淀。1.4.2氧化配位通过40℃水浴加热,以一定的滴加速度向草酸亚铁沉淀中边搅拌边滴加1 mol/L K2C2O4溶液,至变为棕红色溶液。再边搅拌边滴加6%H2O2溶液(草酸钾的滴加速度约为1.4 m L/min、H2O2的滴加速度为1 m L/min),滴加完毕后,得到棕褐色沉淀,然后在100℃水浴里加热一定时间,以去除过量的H2O2。1.4.3酸溶配位在40℃水浴下,边搅拌边滴加0.5 mol/LH2C2O4,沉淀溶解为翠绿色透明溶液。冷水冷却,加20 m L无水乙醇,结晶,抽滤,晶体用10 m L无水乙醇洗涤,抽干,避光阴干,称量,计算产率。2结果与讨论2.1优化实验结果以翠绿色晶体的反应产物为考察目标,以产物的产率为响应值,对影响指标主要因素进行优化。首先,优化反应物的用量;然后,采用优化的反应物用量进行实验,优化反应时间。根据化学反应中反应物与生成物之间的量效关系n((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)∶n(H2C2O2)∶n(K2C2O2)∶n(H2O2)∶n(H2C2O2)=2∶2∶3∶1∶1,确定反应物水平取值,结果见表1、2。根据反应物和生成物的性质确定反应时间水平取值,结果见表3。表1反应物的物质的量比水平值注Tab.1 Level value of molar ratio for reactants1 2 3n((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)∶n(H2C2O2)1)1∶1.0 1∶1.2 1∶1.4n((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)∶n(K2C2O2)2∶3.0 2∶3.4 2∶3.8n((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)∶n(H2O2)2∶1.0 2∶2.0 2∶3.0n((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)∶n(H2C2O2)2)2∶1.0 2∶1.5 2∶2.0注:1)制备草酸亚铁用的草酸;2)酸溶配位用的草酸。表2反应物用量水平值Tab.2 Level value of the amount of reactantsA1)0.5 mol/L草酸/m LB1 mol/L草酸钾/m LC2 mol/LH2O2/m LD2)0.5 mol/L草酸/m L1 20 15 2.5 102 24 17 5.0 153 28 19 7.5 20注:1)制备草酸亚铁用的草酸;2)酸溶配位用的草酸。表3反应时间水平值Tab.3 Level value of reaction timeE草酸亚铁的制备(100℃)t/minF草酸亚铁的氧化(40℃)t/minG除H2O2(100℃)t/min1 10 10 12 20 20 53 30 30 9反应物用量优化实验结果见表4。利用De-sign-Expert v8.0.6.1软件对表4的实验数据进行处理,得出产率预测值Y对自变量反应物用量A、B、C、D的回归方程为Y=81.85+3.72A-1.48B+1.30C-1.57D+0.68AB+1.65AC-2.39AD+2.20BC+0.97BD-0.84CD-3.30A2-4.92B2-3.79C2-2.89D2,R2=0.974 5,相关系数较高,说明拟合有效。对上述回归模型进行方差分析,其回归方程的有效性及各因素对产率影响程度见表5。从表5可以看到,模型的F检验结果为P<0.000 1,为差异有统计学意义,即该模型对于响应值影响极显著;失拟度得出的F检验结果为P>0.05,为差异无统计学意义,显示失拟误差与纯误差之间不显著相关,该模型失拟误差不显著,这两者都表明该响应面模型选择合适,得出的分析结果可靠。表5中方差分析显示,A、B2、C2对产率影响极显著(P<0.001),D2、A2、D、B对其影响高度显著(P<0.01),C、AD、BC对其影响显著(P<0.05)。表4反应物用量优化的实验设计及结果Tab.4 Optimization of the amount of reactants and results实验编号A B C D产率/%1 28.00 17.00 5.00 20.00 75.512 28.00 17.00 2.50 15.00 76.283 24.00 19.00 2.50 15.00 66.824 28.00 15.00 5.00 15.00 77.145 20.00 19.00 5.00 15.00 69.836 24.00 19.00 5.00 10.00 73.967 24.00 15.00 5.00 20.00 73.368 20.00 17.00 5.00 20.00 71.649 24.00 17.00 2.50 20.00 72.5010 20.00 17.00 7.50 15.00 71.1211 24.00 17.00 5.00 15.00 83.5912 24.00 19.00 5.00 20.00 71.8113 24.00 17.00 2.50 10.00 74.2214 20.00 15.00 5.00 15.00 71.6415 24.00 17.00 2.50 15.00 75.9416 24.00 17.00 7.50 10.00 80.5817 28.00 19.00 5.00 15.00 77.8318 20.00 17.00 5.00 10.00 68.8019 28.00 17.00 7.50 15.00 81.4420 28.00 17.00 5.00 10.00 82.2221 24.00 15.00 5.00 10.00 79.3822 24.00 15.00 7.50 15.00 72.8423 24.00 17.00 5.00 15.00 81.8724 24.00 17.00 5.00 15.00 81.6125 20.00 17.00 2.50 15.00 72.5826 24.00 17.00 5.00 15.00 81.7027 24.00 17.00 5.00 15.00 80.5028 24.00 19.00 7.50 15.00 72.5029 24.00 17.00 7.50 20.00 75.51反应时间优化实验结果见表6,利用Design-Expert v8.0.6.1软件对表6的实验数据进行处理,产率预测值Y对自变量反应时间制备时间(A)、氧化时间(B)、清除H2O2时间(C)回归方程为Y=90.15-3.07A-3.95B+0.059C+1.23AB-1.88AC-2.44BC-9.77A2-10.86B2-12.72C2,R2=0.996 5,相关系数较高,说明拟合度好。对上述表5反应物用量回归方程的方差分析Tab.5 Variance analysis for the regression equationof the amount of reactants来源平方和自由度均方F值P显著性模型551.73 14 39.41 13.81<0.000 1***A 165.84 1 165.84 58.12<0.000 1***B 26.26 1 26.26 9.20 0.008 9**C 20.41 1 20.41 7.15 0.018 1*D 29.55 1 29.55 10.36 0.006 2**AB 1.82 1 1.82 0.64 0.437 5AC 10.96 1 10.96 3.84 0.070 3AD 22.80 1 22.80 7.99 0.013 5*BC 19.27 1 19.27 6.75 0.021 0*BD 3.74 1 3.74 1.31 0.271 2CD 2.81 1 2.81 0.98 0.338 2A270.65 1 70.65 24.76 0.000 2**B2157.20 1 157.20 55.09<0.000 1***C293.07 1 93.07 32.62<0.000 1***D254.28 1 54.28 19.02 0.000 7**残差39.95 14 2.85失拟度35.02 10 3.50 2.84 0.163 1纯误差4.93 4 1.23总差591.63 28表6反应时间优化的实验设计及结果Tab.6 Optimization of the reaction times and results实验编号A B C产率/%1 10.00 20.00 9.00 72.282 20.00 20.00 5.00 88.923 20.00 30.00 9.00 59.644 30.00 10.00 5.00 68.175 20.00 20.00 5.00 90.296 10.00 30.00 5.00 68.417 10.00 10.00 5.00 77.978 20.00 10.00 1.00 68.649 30.00 20.00 1.00 66.7910 30.00 20.00 9.00 63.5711 30.00 30.00 5.00 63.5412 20.00 20.00 5.00 90.6413 20.00 10.00 9.00 73.2214 20.00 30.00 1.00 64.8115 20.00 20.00 5.00 91.6816 10.00 20.00 1.00 74.8517 20.00 20.00 5.00 89.90回归模型进行方差分析,其回归方程的有效性及各因素对产率影响程度见表7。从表7结果可以看到,模型的F检验结果为P<0.000 1,极为显著,失拟检验P=0.1631>0.05,不显著,无失拟因素存在,可以用以上回归方程对实验结果进行分析。表7方差分析显示,制备时间A、氧化时间B以及A2、B2、C2影响极显著(P<0.001),AC、BC影响高度显著(P<0.01),AB影响显著(P<0.05)。表7反应时间回归方程的方差分析Tab.7 Variance analysis for the regression equationof the reaction times来源平方和自由度均方F值P显著性模型2 006.23 9 222.91 222.46<0.000 1***A 75.58 1 75.58<0.000 1***B 124.82 1 124.82<0.000 1**C 0.028 1 0.028 0.872 8AB 6.08 1 6.08 0.043 3*AC 14.06 1 14.06 0.007 2**BC 23.77 1 23.77 0.001 8**A2402.11 1 402.11<0.000 1***B2496.13 1 496.13<0.000 1***C2680.99 1 680.99<0.000 1***残差7.01 7 1.00失拟度4.46 3 1.49 2.32 0.216 5纯误差2.56 4 0.64总差2 013.24 162.2响应曲面图分析2.2.1反应物用量对产率的影响由Design Expert 8.0.5b软件处理得到的各因素交互作用的响应面图可以直观地看出各因素交互作用对响应值产率的影响。随着各因素的增大,响应值增大;当响应值增大到极值后,随着因素的增大,响应值逐渐减小;在交互项对产率的影图1反应物用量因素交互作用对产率影响的响应曲面Fig.1 Factors on the impact of interaction on yieldof both response surface响中,制备草酸亚铁所需的草酸用量与氧化配位所需的H2O2用量的交互作用,以及氧化配位所需的草酸钾与H2O2用量的交互作用对产率影响显著,具体结果如图1所示。经响应面回归分析得到最佳的反应物用量为27.72 m L(0.5 mol/L)制备草酸亚铁用草酸(A)、16.88 m L草酸钾(B)、6.10 m L H2O2(C)、11.35m L酸溶配位用草酸(D)。2.2.2反应时间对产率的影响利用Design-Expert v8.0.6.1软件,对响应面优化反应时间实验结果中两因素的交互作用做响应面曲线图,结果见图2。从图2中可以直观地看出,各因素交互作用对响应值产率的影响。随着各因素的增大,响应值增大;当响应值增大到极值后,随着因素的增大,响应值逐渐减小。实验模型分析,得出最佳制备时间为18.27 min、氧化时间为18.04 min(即草酸钾的滴加速度约为1.4m L/min、H2O2的滴加速度为1 m L/min),清除H2O2的时间为5.14 min,产率达90.80%。图2反应时间因素交互作用对产率影响的响应曲面Fig.2 Reaction time factors on the impact of interactionon yield response surface2.3回归模型的实验验证为检验预测的结果,需对优化得出的工艺条件进行重复实验,实验者为4人,每人重复实验3次,实验指标是产品为翠绿色晶体,计算产率。为方便实际操作,将验证条件修正为制备草酸亚铁所用草酸用量为28.00 m L、反应时间为18.00min;氧化配位草酸亚铁所用的草酸钾、H2O2用量分别为17.00、6.00 m L,清除H2O2的时间为5.00min;酸溶配位用草酸为11.00 m L。实验结果显示,产品均为翠绿色晶体,产率均在89.89%~90.57%范围内。2.4产品的表征产品的XRD测试结果见图3。经计算机分析,图谱与卡片号PDF14-0720三草酸合铁(Ⅲ)酸钾K[Fe(C2O4)3]·3H2O的标准图谱相匹配,表明合成的产品为三草酸合铁(Ⅲ)酸钾。通过化学分析[1]测定含2.97个结晶水,C2O2-4含量为60.3%、Fe3+含量为12.8%、K+含量为36.7%,可以得到合成配合物中Fe3+、C2O2-4、K+、H2O的物质的量之比为n(Fe3+)∶n(C2O2-4)∶n(K+)∶n(H2O)≈1∶3∶1∶3,所以合成的配合物化学式为K[Fe(C2O4)3]·3H2O。产品的红外图谱见图4,由图谱可以看到,3 450cm-1左右有一个宽的O—H伸缩振动峰,说明存图3产物的XRD图谱Fig.3 XRD spectrum of the product图4产物的红外图谱Fig.4 Infrared spectrum of the product图5产物的SEM图Fig.5 SEM image of the product在结晶水,1 713、1 682 cm-1是羰基CO伸缩振动吸收带,1 390、1 270 cm-1是C—O伸缩及—O—CO的弯曲振动吸收峰,801 cm-1是—O—CO弯曲振动及M—O伸缩振动吸收峰,533 cm-1是C—C伸缩振动吸收峰,可以判断出该合成物中的配位体为草酸根基团。从产物的SEM图(图5)可以看出,产物形貌为微米级的块状颗粒,颗粒轮廓清晰,说明结晶程度良好。3结论通过响应面法,对影响三草酸合铁(Ⅲ)酸钾制备的主要因素进行考察,获得制备三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的最佳工艺条件为:1)制备草酸亚铁:用10 m L(0.050 mol/m L)硫酸溶解3.921 4 g硫酸亚铁铵,100℃水浴下,加入28.00 m L(0.5mol/L)草酸,反应时间为18.00 min;2)氧化配位:在40℃水浴下,将17.00 m L(1.00 mol/m L)K2C2O4溶液以1.4 m L/min的滴加速度加入洗净的草酸亚铁沉淀中,边搅拌边滴加,至变为棕红色溶液。再以1 m L/min的滴加速度将6.00 m L(2.00 mol/L)H2O2溶液加入其中,得到棕褐色沉淀,然后在100℃水浴里加热5.00 min,以去除过量的H2O2;3)酸溶配位:在40℃水浴下,边搅拌边滴加0.5 mol/L草酸,沉淀溶解为翠绿色透明溶液,冷水冷却,加20 m L无水乙醇,结晶,抽滤,晶体用10 m L无水乙醇洗,抽干,避光阴干,产品均为翠绿色晶体。在该条件下重复实验,产率均在89.89%~90.57%之间。三草酸合铁(Ⅲ)酸钾合成工艺的优化@马少妹$广西民族大学化学化工学院广西林产化学与工程重点实验室!广西南宁530006
@袁爱群$广西民族大学化学化工学院广西林产化学与工程重点实验室!广西南宁530006
@白丽娟$广西民族大学化学化工学院广西林产化学与工程重点实验室!广西南宁530006
@韦冬萍$广西民族大学化学化工学院广西林产化学与工程重点实验室!广西南宁530006
@黄增尉$广西民族大学化学化工学院广西林产化学与工程重点实验室!广西南宁530006
@周泽广$广西民族大学化学化工学院广西林产化学与工程重点实验室!广西南宁530006
@尹显洪$广西民族大学化学化工学院广西林产化学与工程重点实验室!广西南宁530006
@钟莲云$广西民族大学化学化工学院广西林产化学与工程重点实验室!广西南宁530006以硫酸亚铁铵、草酸为主要原料,双氧水为氧化剂合成三草酸合铁(Ⅲ)酸钾。采用响应面法优化三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的制备工艺,用XRD、FT-IR、SEM对产物进行表征。结果表明,产物化学式为K[Fe(C_2O_4)_3]·3H_2O,形貌为微米块状颗粒。优化工艺条件:草酸亚铁制备中草酸用量为28.00 m L、反应时间为18.00 min;氧化配位反应中草酸钾用量为17.00 m L、H_2O_2用量为6.00 m L,清除H_2O_2时间为5.00 min;酸溶配位中草酸用量为11.00 m L,在该条件下重复实验,产品均为翠绿色晶体,产率均在89.89%~90.57%之间。硫酸亚铁铵;;三草酸合铁(Ⅲ)酸钾;;响应面法[1]大连理工大学无机化学教研室.无机化学实验(第3版)[M].北京:高等教育出版社,2014:167-172.
[2]南京大学.无机及分析化学实验(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2006:173-175.
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