硫酸亚铁铵制备的最佳工艺研究

谢建梅，汤婷茜，高红艳，王亚飞

（黑龙江八一农垦大学理学院，黑龙江大庆 163319）

硫酸亚铁铵[(NH4)2Fe(S O4)2·6H2O]是一种复盐，常称为莫尔盐，或摩尔盐，外观为淡蓝绿色单斜晶体，密度1.864 g·cm-3，易溶于水，不易溶于乙醇，亚铁盐在空气中极易被氧化，但形成复盐后在空气中不易被氧化，因此在定量分析中常用来配制亚铁离子标准溶液。除此之外，在印染工业可用于媒染剂、制革工业中用于鞣革、木材工业中用作防腐剂、医药中用于治疗缺铁性贫血、农业中施用于缺铁性土壤、畜牧业中用作饲料添加剂等，还可以与鞣酸、没食子酸等混合后配置蓝黑墨水等，总之，硫酸亚铁铵的用途十分广泛，是一种重要的化工原料。

由于硫酸亚铁铵的制备试验中涉及称量、溶解、加热、蒸发、浓缩、结晶、过滤、洗涤、干燥、目视比色等多个操作过程，作为一个综合性试验，成为了大学化学试验[1-3]中必选试验。硫酸亚铁铵的实验室制备通常分为2步:一是由铁粉或铁屑与硫酸反应制取硫酸亚铁；二是由硫酸亚铁与一定量的硫酸铵反应，利用硫酸亚铁铵的溶解度比组成的每一组分的溶解度都要小的特点，经过蒸发、浓缩、结晶，从而制得硫酸亚铁铵晶体。

研究硫酸亚铁铵制备的报道很多[4-12]，但鲜少有研究影响硫酸亚铁铵产率和产品级别的主次因素的报道。在充分考虑影响产品产率和级别的可能因素基础上，研究分别从铁粉用量、硫酸浓度、反应温度、硫酸铵用量、是否隔绝空气等方面探讨制备硫酸亚铁铵的优化试验条件，在单因素基础上，进行四因素三水平正交试验，对影响硫酸亚铁铵产率和产品级别的主要因素进行分析，并优化出最佳制备工艺，以期为硫酸亚铁铵制备试验结果的科学性、合理性提供一定的基础数据参考。

1 试验设计

1.1 试验原理

该试验分2步制备:

（1）铁屑（粉） 与硫酸作用制得硫酸亚铁；Fe+H2S O4=FeS O4+H2

（2）生成的硫酸亚铁与硫酸铵作用，生成溶解度较小的硫酸亚铁铵。FeS O4+(NH4)2S O4+6H2O=(NH4)2Fe(S O4)2·6H2O

1.2 试验仪器和试剂

AR224CN型分析天平，奥豪斯公司产品；H J-A2型水浴锅，迈科诺公司产品；D C-2006型循环水真空泵，上海方瑞仪器有限公司产品；抽滤瓶、布氏漏斗、锥形瓶、蒸发皿、滴液漏斗、比色管等。

2 mol/L H2S O4，4 mol/L H2S O4，3 mol/L H2S O4，3 mol/L HCl，0.100 0 g/L Fe3+标准溶液，25%KSCN，9型5%乙醇，硫酸铵（s）（A.R.），铁粉（A.R.）。

1.3 试验方法

研究的目的是探讨硫酸亚铁铵制备的最佳工艺，为了减少空气污染，试验均采用分析纯铁粉，反应在通风厨中进行。

1.3.1 硫酸亚铁溶液的制备

将盛有铁粉的250 mL锥形瓶中加入15 mL硫酸，置于水浴上反应至无气泡冒出，水浴温度控制在50～70℃，反应完毕后用热的去氧蒸馏水补充至溶液原有体积，继续加热2 min，然后趁热减压过滤，避免硫酸亚铁析出，用少量热的去氧蒸馏水洗涤残渣，滤液转移至蒸发皿中，用浓度为3 mol/L H2S O4调节溶液的pH值为1～2。铁粉残渣用吸水纸吸干后称量。

1.3.2 硫酸亚铁铵的制备

根据反应的铁粉量计算出所需硫酸铵的量，称取并加入到上述硫酸亚铁溶液中，水浴加热，搅拌使硫酸铵固体全部溶解后无需再搅拌，继续在水浴上加热浓缩至溶液表面出现晶膜:取下静止，缓慢冷却至全部晶体析出，减压过滤去除母液，用少量体积分数95%乙醇洗涤晶体，抽干取出，用吸水纸吸干水分，称量，计算产率和鉴定产品级别。

1.3.3 纯度检验——目视比色法

分别取0.50，1.00，2.00 mL Fe3+标准溶液于25 mL比色管中，加入2 mL浓度为3 mol/L HCl和1 mL体积分数25%的KSCN溶液，用去离子水稀释定容，摇匀，配制成Fe3+标准溶液。含Fe3+量分别为0.05 mg（I级），0.10 mg（II级），0.20 mg（III级）。

取1.00 g产品于25 mL比色管中，用15 mL去离子水溶解，再加入2 mL浓度为3 mol/L HCl和1 mL体积分数25%的KSCN溶液，用去离子水稀释定容，摇匀，与标准色阶进行目视比色，确定产品级别。

2 结果与分析

分别改变硫酸浓度、铁粉用量、反应温度、隔绝和不隔绝空气、硫酸铵用量等5个变量（每个变量时其他条件恒定），其他操作同1.3.1、1.3.2、1.3.3。

接触空气程度对反应的影响见表1。

从表1可看出，隔绝空气和立即采取水浴加热的结果相差不大，而且隔绝空气需要采用封闭式装置，增加了试验成本。为了降低试验成本，研究采用开放式装置立即水浴加热的反应条件。

硫酸浓度的影响见表2，铁粉用量的影响见表3，反应温度的影响见表4，硫酸铵用量的影响见表5。

表1 接触空气程度对反应的影响

表2 硫酸浓度的影响

表3 铁粉用量的影响

表4 反应温度的影响

表5 硫酸铵用量的影响

通过试验结果选择各单因素的最佳值为浓度为3 mol/L的硫酸、铁粉用量2 g、60℃下水浴加热、硫酸铵的用量为理论值的0.75倍，产率达94.03%，产品级别优于I级，得到的蓝绿色单斜多面体光泽好、粒度大、硬度大。

2.2 最佳试验工艺的确定

根据单因素试验结果，在采用开放式装置和立即水浴加热条件下，对铁粉用量、硫酸浓度、反应温度、硫酸铵用量4个影响产率和级别的因素在最佳值前后设计四因素三水平正交试验，以考查各个因素对硫酸亚铁铵产率和级别的影响程度。

正交试验因素与水平设计见表6，正交试验设计及试验结果见表7。

表6 正交试验因素与水平设计

表7 正交试验设计及试验结果

由极差分析结果可以看出，以产率为指标时，各因素影响的主次顺序为B＞A＞C＞D，即铁粉用量＞硫酸浓度＞反应温度＞硫酸铵用量。由K值可确定硫酸亚铁铵制备的最优工艺为A2B2C2D1，而通过正交试验得出的硫酸亚铁铵制备的最佳工艺为A3B3C2D1。为此进行了对比试验，在A2B2C2D1和A3B3C2D1试验条件下的3次平行试验结果的平均得率分别为96.21%和96.47%，且产品级别均为I级以上。所以，硫酸亚铁铵制备最佳工艺选择A3B3C2D1。

3 结论

在采用开放式装置立即水浴加热的反应条件下，硫酸亚铁铵制备的最佳工艺条件为浓度4 mol/L的硫酸、铁粉用量3 g、60℃水浴加热、硫酸铵的用量为理论值的0.75倍，产率为96.45%，产品级别优于I级。

在硫酸亚铁铵的制备中，影响产率的关键因素是铁粉与硫酸的物质量比。当nFe∶nH2SO4＜0.7时，由于酸过量，加速了Fe2+的氧化，降低了产率和产品级别；当nFe∶nH2SO4≥1时，由于硫酸的消耗殆尽，使溶液pH值增高，又增加了Fe2+的水解，致使产率降低或产品级别下降。所以，铁粉与硫酸的物质量比控制为0.8～0.9。