广西民族大学学报(自然科学版)  2017, Vol. 23 Issue (2): 93-96
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姜小萍, 雷有栋
JIANG Xiao-ping, LEI You-dong
共沉淀法制备四氧化三铁的工艺
Ferroferric Oxide Coprecipitation Preparation Process are Discussed
广西民族大学学报(自然科学版), 2017, 23(2): 93-96
Journal of Guangxi University for Nationalities(Natural Science Edition), 2017, 23(2): 93-96

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收稿日期: 2017-04-07
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姜小萍, 雷有栋. 共沉淀法制备四氧化三铁的工艺[J]. 广西民族大学学报(自然科学版), 2017, 23(2): 93-96.
JIANG Xiao-ping, LEI You-dong. Ferroferric Oxide Coprecipitation Preparation Process are Discussed[J]. Journal of Guangxi University for Nationalities(Natural Science Edition), 2017, 23(2): 93-96.
共沉淀法制备四氧化三铁的工艺
姜小萍, 雷有栋     
青海民族大学 化学化工学院 青海 西宁 810007
收稿日期：2017-04-07
作者简介：姜小萍(1969-), 女(满族), 黑龙江齐齐哈尔人, 青海民族大学化学化工学院副教授, 研究方向:无机化学.
摘要：在无表面活性剂条件下制备四氧化三铁颗粒采用两种沉淀剂设计制备四氧化三铁颗粒的正交试验方案得出：1）用氢氧化钠为沉淀剂时才能制备出产量最好的四氧化三铁颗粒；2）选用浓氨水为沉淀剂时制备出的四氧化三铁颗粒含量更高；3）选用氢氧化钠为沉淀剂时Fe3+/Fe2+摩尔比为4:4，反应时间为2.5 h，反应温度为50 ℃时制备出的四氧化三铁颗粒的产量最大；4）选用浓氨水为沉淀剂时Fe3+/Fe2+摩尔比为4:4，反应时间为2.5 h，反应温度为50 ℃时制备出的四氧化三铁颗粒的含量最大.
关键词：四氧化三铁     共沉淀     沉淀剂    
Ferroferric Oxide Coprecipitation Preparation Process are Discussed
JIANG Xiao-ping, LEI You-dong     
College of Chemistry and Chemical Engineering, Qinghai Nationalities University, Xining 810007, China
Abstract: In surfactant free condition, the preparation of Fe3O4 particles obtained by the orthogonal test scheme of two kinds of precipitation agent preparation content more high yield higher Fe3O4 particles:1) Determine the precipitating agent of choice is decided to product the ultimate impact factors, and the two kinds of preparation process of comparison is determined by sodium hydroxide as precipitant to preparation produced best quantity of Fe3O4 particles; 2) If with concentrated ammonia water as precipitant by UV points spectrophotometry measuring the purity, it is known that use ammonia as precipitant is prepared Fe3O4 particles content higher; 3) Sodium hydroxide as precipitant of Fe3+/Fe2+ ratio is 4:4, reaction time was 2.5 h reaction temperature for 50 DEG C prepared Fe3O4 particles, the largest output; 4) The content of ammonia water as precipitant of Fe3+/Fe2+ ratio is 4:4, and reaction time was 2.5 h. Reaction temperature to 50 DEG C prepared Fe3O4 particles.
Key words: ferriferous oxide     coprecipitation     the precipitation agent     preparation method    
0 引言

随着科技的发展，由于四氧化三铁颗粒粒径小、比表面积大、磁性敏感等特性，四氧化三铁颗粒在磁记录材料、特殊催化剂、磁流体等领域广泛应用.四氧化三铁制备方法主要有:化学沉淀法、沉淀氧化法等.[1]但是化学共沉淀法因制备条件温和、工艺简单、工艺流程短、成本低设备简单因而被广泛采用.[2-4]

1 实验材料与方法 1.1 实验材料和实验仪器

Fecl3·6H2O(天津市大茂化学试剂厂)、Fecl2·4H2O(天津市大茂化学试剂厂)、NaOH(天津市大陆化学试剂厂)、NH3·H2O(四川西陇化工有限公司)、Fe3O4均为分析纯.

752N型紫外分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司制造)、XH-50E数字温控搅拌器(北京祥鹄科技发展有限公司)、SHB-Ⅲ循环水式真空泵(巩义市英峪高科仪器厂)、恒温鼓风干燥箱(上海琅玕实验设备有限公司).

1.2 实验方法

采用化学共沉淀法制备四氧化三铁颗粒，此法通常是将二价铁和三价铁的可溶性盐配成溶液，然后按照一定的比例混合，用氢氧化钠和浓氨水作沉淀剂，将混合液中的二价铁和三价铁共同沉淀出来，沉淀转化为四氧化三铁后静置抽滤、烘干、称量.

氢氧化钠：Fe2++2Fe3++8OH-=Fe3O4↓

浓氨水：Fe2++2Fe3++8NH3·H2O=Fe3O4↓+8NH4++4H2O[6]

1.3 实验测定 1.3.1 正交试验溶液配制

准确称取108.1160 g六水氯化铁，在1000 ml容量瓶中配制成0.4 mol/L的Fe3+溶液, 分别准确称量4.9702 g、9.9405 g、14.9108 g、19.8810 g四水氯化亚铁配制成0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L、0.4 mol/L的Fe2+溶液各250 ml备用.

1.3.2 紫外可见分光光度计测定 1.3.2.1 配置标准溶

准确称量0.3859 g的四氧化三铁(分析纯)加入20.00 ml盐酸加热一小时使其溶解，在100 ml容量瓶中配置成0.01 mol/L的标准溶液，放置12小时，待用.

1.3.2.2 最大吸收波长的测定

用1 cm比色皿，以蒸馏水为空白为参比溶液，在300~520 nm之间，每隔10 nm测一次吸光度，在最大吸收峰附近2 nm测定一次吸光度.

在坐标纸上，以波长λ为横坐标，吸光度A为纵坐标，绘制A与λ关系的吸收曲线.从吸收曲线上选择测定Fe3O4的适宜波长，一般选用最大吸收波长(λmax)为测定波长.

1.3.2.3 氢氧化钠和浓氨水为沉淀剂测定其含量

准确称取产物0.1577 g、0.2315 g、0.3473 g、0.4631 g，分别配制成0.005 mol/L、0.010 mol/L、0.015 mol/L、0.020 mol/L的溶液分别在最大波长下测其吸光度A，从标准曲线上查出和计算出产物中四氧化三铁的浓度.

2 结果与分析 2.1 正交试验

将配制好的一定浓度的Fe3+和Fe2+溶液各取25.00 ml放入圆底烧瓶中在一定的摩尔比、温度、时间下进行各自的正交试验，迅速加入氢氧化钠溶液控制pH＞10.记录反应的摩尔比、温度、时间等，最后烘干.[5-6]

从表 1可以看出以NaOH为沉淀剂，因素A(Fe3+/Fe2+摩尔比)的极差R最大.说明因素A对四氧化三铁的制备影响最大，然后影响从大到小依次为因素C(温度)，因素B(时间).最优方案为A4B2C2即Fe3+/Fe2+摩尔比为4:4，反应时间为1.5 h，反应温度为50 ℃.

表 1 NaOH正交试验结果 Tab. 1 The results of the orthogonal experiment
样号ABC实验结果
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16		4:1
4:1
4:1
4:1
4:2
4:2
4:2
4:2
4:3
4:3
4:3
4:3
4:4
4:4
4:4
4:4		1.0
1.5
2.0
2.5
1.0
1.5
2.0
2.5
1.0
1.5
2.0
2.5
1.0
1.5
2.0
2.5		30
40
50
60
40
30
60
50
50
60
30
40
60
50
40
30		1.8952
2.0015
1.9003
1.8074
2.0449
2.0731
1.9952
2.0237
2.1262
2.1614
2.1533
2.1740
2.3436
2.1986
2.3098
2.1545
K1
K2
K3
K4		7.6044
8.1369
8.6149
9.0065		8.4099
8.4346
8.3586
8.1596		8.2761
8.5302
8.2488
8.3076
K1
K2
K3
K4		1.9011
2.0342
2.1537
2.2516		2.1025
2.1086
2.0896
2.0399		2.0690
2.1325
2.0622
2.0769
极差R0.35050.06870.0703
因素主次顺序A>C>B
最优条件A4B2C2
优组合A4B2C2
表选项

从表 2可以看出以NH3·H2O为沉淀剂，因素A(Fe3+/Fe2+摩尔比)的极差R最大.说明因素A对四氧化三铁的制备影响最大，然后影响从大到小依次为因素C(温度)，因素B(时间).最优方案为A4B4C3即Fe3+/Fe2+摩尔比为4:4，反应时间为2.5 h，反应温度为50 ℃.

表 2 NH3·H2O正交试验结果 Tab. 2 The results of the orthogonal experiment
样号ABC实验结果
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16		4:1
4:1
4:1
4:1
4:2
4:2
4:2
4:2
4:3
4:3
4:3
4:3
4:4
4:4
4:4
4:4		1.0
1.5
2.0
2.5
1.0
1.5
2.0
2.5
1.0
1.5
2.0
2.5
1.0
1.5
2.0
2.5		30
40
50
60
40
30
60
50
50
60
30
40
60
50
40
30		1.8254
1.8476
1.8909
1.8358
1.9923
1.8547
2.0061
1.9848
2.1285
2.0958
2.1147
2.2113
2.3380
2.3663
2.2631
2.2705
K1
K2
K3
K4		7.3997
7.8379
8.5503
9.2379		8.2842
8.1644
8.2748
8.3024		8.0653
8.3143
8.3705
8.2757
K1
K2
K3
K4		1.8499
1.9595
2.1376
2.3095		2.0710
2.0411
2.0687
2.0756		2.0163
2.0759
2.0926
2.0689
极差0.45960.03450.0763
因素主次顺序A>C>B
最有条件A4B4C3
优组合A4B4C3
表选项

2.2 紫外可见分光光度法的实验结果及分析 2.2.1 最大吸收波长的测定和标准曲线的绘制

表 3和图 1反映了所配的标准溶液在752 N紫外可见分光光度计上测定的四氧化三铁的最大吸收波长为380 nm.

表 3 四氧化三铁最大吸收波长测定 Tab. 3 Determination of the maximum absorption wavelength
波长λ吸光度A波长λ吸光度A波长λ吸光度A波长λ吸光度A
300
302
304
306
308
310
312
314
316
318
320
322
324
326
328		1.575
1.059
1.604
1.685
1.732
1.776
1.796
1.812
1.819
1.802
1.801
1.797
1.808
1.800
1.789		332
334
336
338
340
342
346
348
350
352
354
356
358
360
362		1.769
1.765
1.758
1.496
1.770
1.773
1.790
1.795
1.811
1.825
1.847
1.852
1.866
1.883
1.895		366
368
370
372
374
378
380
382
384
386
388
390
392
394
396		1.930
1.929
1.955
1.982
1.988
2.025
2.043
2.032
2.015
1.918
1.914
1.853
1.790
1.685
1.610		400
402
404
406
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510		1.496
1.414
1.314
1.270
1.123
0.879
0.687
1.516
0.386
0.286
0.270
0.146
0.116
0.105
0.114
3301.7823641.9143981.5735200.135
表选项

图 1 四氧化三铁最大吸收波长的确定 Fig. 1 Determination of the maximum absorption wavelength
图选项

2.2.2 标准曲线的绘制

精确移取0.00 ml、1.00 ml、2.00 ml、3.00 ml、4.00 ml、5.00 ml标准溶液定容到50 ml容量瓶中，用1 cm比色皿，以蒸馏水为空白，在最大波长下，测量各溶液的吸光度，以四氧化三铁的含量为横坐标，以吸光度A为纵坐标，绘制标准曲线.

图 2和表 4反映了所配标准溶液在最大吸收波长380 nm处，在752N紫外风光光度计上所测绘制的标准曲线，并得到线性回归方程.

图 2 紫外可见分光光度法标准曲线的制作 Fig. 2 The standard curve of UV visible spectrophotometry
图选项

表 4 标准溶液在最大波长处测得的吸光度 Tab. 4 The absorbance of the standard solution at the maximum wavelength
λ=380 nm
样号123456
浓度(mol/L)0.00000.00020.00040.00060.00080.0010
吸光度(A)0.0000.0250.0500.0770.0990.129
表选项

2.2.3 试样含量计算公式
${\rm{A = }}127.71{\rm{C}} - {\rm{0}}{\rm{.0005}}$ (1)

A-表示标准溶液的吸光度：C-表示标准溶液的浓度(mol/L).

$\rho \left( {{\rm{g}}/{\rm{ml}}} \right){\rm{ = nM}}/{\rm{V}}$ (2)

ρ-表示产物的含量(g/ml); n-表示产物物质的量(mol)：M-表示产物的分子量(g/mol):V-表示体积(ml)

2.2.4 试样含量的分析

由图 2、表 5和(1) 式、(2) 式得到了以NaOH为沉淀剂所制备的试样所配的溶液在752 N紫外可见分光光度计最大波长处所测得的吸光度，在标准曲线线性回归方程中找到对应的浓度，计算出其含量.

表 5 NaOH为沉淀剂制备的试样分析 Tab. 5 NaOH sample preparation for precipitation agent
λ=380 nm
吸光度(A)浓度(n)含量(ρ)含量平均(ρ)
1.9460.0152 mol/L0.0035 g/ml
2.0140.0158 mol/L0.0037 g/ml
2.0200.0158 mol/L0.0037 g/ml0.00365 g/ml
2.0540.0160 mol/L0.0037 g/ml
表选项

由图 2、表 6和(1) 式、(2) 式得到了以NH3·H2O所制备的试样所配的溶液在752N紫外可见分光光度计最大波长处所测得的吸光度，并在标准曲线线性回归方程中找到对应的浓度，并计算出其含量.

表 6 NH3·H2O为沉淀剂制备的试样分析 Tab. 6 Sample analysis of NH3· H2O as precipitant
λ=380 nm
吸光度(A)浓度(n)含量(ρ)含量平均(ρ)
1.9630.0154 mol/L0.0036 g/ml
2.1570.0169 mol/L0.0039 g/ml
2.2150.0173 mol/L0.0040 g/ml0.0039 g/ml
2.2250.0174 mol/L0.0040 g/ml
表选项

3 结果与讨论

实验以共沉淀法在无表面活性剂的作用下以氢氧化钠和浓氨水分别为沉淀剂制备四氧化三铁颗粒，结果表明：

1) 在以氢氧化钠为沉淀剂时，Fe3+/Fe2+的摩尔比对四氧化三铁颗粒的制备影响最大，然后影响从大到小依次为因素C(温度)，因素B(时间).Fe3+/Fe2+摩尔比为4:4，反应时间

2) 以浓氨水为沉淀剂时，Fe3+/Fe2+的摩尔比对四氧化三铁的制备影响最大，然后影响从大到小依次为因素C(温度)，因素B(时间).Fe3+/Fe2+摩尔比为4:4，反应时间为2.5 h，反应温度为50 ℃时制备出的四氧化三铁颗粒的产量最大；

3) 在752 N紫外可见分光光度计上对两种不同沉淀剂作用下制备的四氧化铁颗粒进行分析，实验结果表明：以浓氨水为沉淀剂时，溶液四氧化三铁的含量较高.

参考文献
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