共沉淀法制備磷酸鐵的試驗研究

李瑞標

（佛山高富中石油燃料瀝青有限責任公司，廣東 佛山 528531）

作為一種重要的無機化合物，磷酸鐵在眾多領域展示出其顯著應用價值，特別是在電池材料和催化劑領域。由于其優良的電化學穩定性和環境友好性，磷酸鐵已成為研究熱點。本研究選用硝酸鐵和磷酸作為原料，主要有3 個原因。一是兩種原料易于獲取，成本較低[1-2]；二是它們的化學反應性良好，有助于合成高純度和高穩定性的磷酸鐵；二是從環境角度考慮，這種方法相對環保。以往硝酸鐵和磷酸合成磷酸鐵的研究取得一定成果，但仍存在產率不高、粒徑分布不均等問題[3-5]。本研究通過開展條件試驗，優化反應條件和工藝，進一步提高磷酸鐵的合成效率和產品質量。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗原料主要有硝酸鐵、磷酸和二水合磷酸鐵，均為分析純，由國藥集團化學試劑上海有限公司提供。

1.2 試驗儀器

試驗儀器主要有數顯電熱恒溫水浴鍋、真空干燥試驗箱、低溫冷卻液循環泵、激光顆粒分布測量儀和大功率電動攪拌器。

1.3 試驗方法

首先，按照精確計算的鐵、磷物質配比，使用精密天平在1 000 mL 四口圓底燒瓶中依次加入磷酸和硝酸鐵[6-7]。隨后，啟動電動攪拌機，將攪拌速度調整至1 500 r/min 進行試驗，以評估攪拌速度對反應的影響。同時，啟動冷凝水冷凝回流和電熱恒溫水浴鍋裝置，緩慢升溫至設定值，維持在80 ℃下反應1 h。接著，根據硝酸鐵的質量比例，加入不同量的二水合磷酸鐵作為晶種，繼續在80 ℃下攪拌反應1 h。取出少量固液混合物，使用分液漏斗進行更精確的分層處理，觀察上層液體變化和沉淀物的顏色，判斷反應是否完成[8]。冷卻至60 ℃以下后，采用負壓過濾技術，使用玻璃砂芯漏斗進行過濾和洗滌，直至洗滌液的pH 穩定在6～7。隨后進行離心分離，取出濾餅并放入干燥箱中，在115 ℃下干燥，以獲得二水磷酸鐵。使用激光粒度分析儀測定其粒度（μm），并以D50（樣品累計粒度分布率達到50%時對應的粒徑）表示結果[9-10]。

2 結果與討論

2.1 原料配比對磷酸鐵回收率的影響

其他試驗條件一致時，采用不同的原料配比（鐵磷物質的量比分別為1.00∶0.90、1.00∶1.00、1.00∶1.01、1.00∶1.02、1.00∶1.03、1.00∶1.04）進行試驗，考察原料配比對磷酸鐵回收率的影響。制備的磷酸鐵樣品中，FePO4·2H2O 含量分別為98.62%、98.91%、99.15%、99.03%、98.92%、98.86%， 回收率分別為95.1%、95.2%、96.5%、96.7%、96.7%、96.2%。鐵磷物質的量比分別為1.00∶0.90、1.00∶1.00 時，漿液黏度很大，其他量比條件下漿液黏度較小。

隨著磷酸加入量的增加，回收率表現為先增加后趨于穩定的趨勢，鐵磷物質的量比為1.00∶1.02時，其達到最大值，為96.7%。鐵磷物質的量比從理論上應該為1.00∶1.00，兩者量比為1.00∶0.90 時，溶液中過量鐵可被沉淀的磷酸鐵包藏，造成樣品含量較低，回收率較低。鐵磷物質的量比調整至1.00∶1.02，可以保證反應的完整性，避免未反應鐵殘留在產品中，樣品回收率最高。進一步增加磷酸量時，回收率基本穩定，造成磷酸浪費。經試驗確定，鐵磷物質的量比取1.00∶1.02，此時回收率最大，漿料黏度較小。

2.2 硝酸濃度對磷酸鐵回收率的影響

鐵磷物質的量比為1.00∶1.02，其他試驗條件一致時，采用不同濃度（35%、40%、45%、50%、55%）的硝酸進行試驗，考察硝酸濃度對磷酸鐵回收率的影響。制備的磷酸鐵樣品中，FePO4·2H2O 含量分別為98.89%、99.49%、99.87%、99.91%、99.20%，回收率分別為97.0%、96.7%、96.7%、96.7%、96.7%。硝酸濃度分別為35%和40%時，漿液黏度很大，其他硝酸濃度條件下漿液黏度較小。

隨著硝酸濃度的增大， 磷酸鐵樣品中FePO4·2H2O 含量表現為先增加后降低的趨勢。硝酸濃度為35%時，回收率最大，為97.0%，其他硝酸濃度的回收率基本穩定在96.7%。硝酸濃度增加有利于反應進行，回收率高，但漿料黏度影響后續料液的分離，同時易產生酸霧。經試驗確定，硝酸濃度取50%，此時回收率為96.7%，漿料黏度較小。

2.3 反應溫度對磷酸鐵回收率的影響

鐵磷物質的量比為1.00∶1.02，硝酸濃度為50%，其他試驗條件一致時，采用不同反應溫度（70 ℃、75 ℃、80 ℃、85 ℃、90 ℃）進行試驗，考察反應溫度對磷酸鐵回收率的影響。制備的磷酸鐵樣品中，FePO4·2H2O 含量分別為98.96%、99.42%、99.57%、99.55%、99.59%，回收率分別為94.8%、95.2%、96.7%、96.7%、96.7%。

反應溫度從70 ℃升高至90 ℃的過程中，磷酸鐵樣品中FePO4·2H2O 含量及回收率均表現為先增加后趨于穩定的趨勢。反應溫度為80 ℃時，FePO4·2H2O含量基本達到最大，為99.57%，此時回收率也達到最大，為96.7%。磷酸為弱酸，反應溫度低于80 ℃時，生成磷酸鐵的反應比較緩慢。經試驗確定，反應溫度取80 ℃，此時FePO4·2H2O 含量為99.57%，回收率為96.7%。

2.4 晶種加入量對磷酸鐵回收率的影響

鐵磷物質的量比為1.00∶1.02，硝酸濃度為50%，反應溫度為80 ℃，其他試驗條件一致時，加入不同量（晶種與硝酸鐵的質量比為0.00%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%）的二水合磷酸鐵晶種進行試驗，考察晶種加入量對磷酸鐵回收率的影響，結果如表1所示。

表1 二水合磷酸鐵晶種加入量對磷酸鐵回收率的影響

從表1 可知，加入二水合磷酸鐵晶種后，對比未加入晶種，磷酸鐵產品中FePO4·2H2O 含量、回收率都有提升，粒度（D50）得到優化。二水合磷酸鐵晶種加入量對回收率的影響不大，對制備的磷酸鐵樣品中FePO4·2H2O 含量有一定影響，對產品粒徑（D50）有一定影響。經試驗確定，晶種與硝酸鐵質量比取0.03%，此時FePO4·2H2O 含量、回收率均較好，產品粒徑（D50）符合2～6 μm 的要求。

2.5 反應時間對磷酸鐵回收率的影響

鐵磷物質的量比為1.00∶1.02，硝酸濃度為50%，反應溫度為80 ℃，晶種加入量為0.03%，其他試驗條件一致時，采用不同的反應時間（10 h、11 h、12 h、13 h、14 h）進行試驗，考察反應時間對磷酸鐵回收率的影響，結果如表2所示。

表2 反應時間對磷酸鐵回收率的影響

從表2 可知，反應時間從10 h 延長至14 h 的過程中，磷酸鐵產品中，FePO4·2H2O 含量、回收率均表現為增長趨勢，對產品粒徑（D50）影響不大，均符合產品要求。經試驗確定，最佳反應時間為12 h，此時節能效果好。

3 結論

本研究以硝酸鐵、磷酸為原料，以二水合磷酸鐵為晶種，采用共沉淀法制備二水磷酸鐵，并采用單因素試驗確定最佳工藝條件。鐵磷物質的量比為1.00∶1.02，硝酸濃度為50%，反應溫度為80 ℃，晶種加入量為0.03%，反應時間為12 h 時，制備的磷酸鐵樣品中，FePO4·2H2O 含量在99.80%以上，回收率約為99.7%，產品粒徑（D50）質量指標符合要求。該二水磷酸鐵制備工藝沒有產生新雜質，產品質量得到保證且穩定。