共沉淀法制备磷酸铁的试验研究

李瑞标

（佛山高富中石油燃料沥青有限责任公司，广东 佛山 528531）

作为一种重要的无机化合物，磷酸铁在众多领域展示出其显著应用价值，特别是在电池材料和催化剂领域。由于其优良的电化学稳定性和环境友好性，磷酸铁已成为研究热点。本研究选用硝酸铁和磷酸作为原料，主要有3 个原因。一是两种原料易于获取，成本较低[1-2]；二是它们的化学反应性良好，有助于合成高纯度和高稳定性的磷酸铁；二是从环境角度考虑，这种方法相对环保。以往硝酸铁和磷酸合成磷酸铁的研究取得一定成果，但仍存在产率不高、粒径分布不均等问题[3-5]。本研究通过开展条件试验，优化反应条件和工艺，进一步提高磷酸铁的合成效率和产品质量。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验原料主要有硝酸铁、磷酸和二水合磷酸铁，均为分析纯，由国药集团化学试剂上海有限公司提供。

1.2 试验仪器

试验仪器主要有数显电热恒温水浴锅、真空干燥试验箱、低温冷却液循环泵、激光颗粒分布测量仪和大功率电动搅拌器。

1.3 试验方法

首先，按照精确计算的铁、磷物质配比，使用精密天平在1 000 mL 四口圆底烧瓶中依次加入磷酸和硝酸铁[6-7]。随后，启动电动搅拌机，将搅拌速度调整至1 500 r/min 进行试验，以评估搅拌速度对反应的影响。同时，启动冷凝水冷凝回流和电热恒温水浴锅装置，缓慢升温至设定值，维持在80 ℃下反应1 h。接着，根据硝酸铁的质量比例，加入不同量的二水合磷酸铁作为晶种，继续在80 ℃下搅拌反应1 h。取出少量固液混合物，使用分液漏斗进行更精确的分层处理，观察上层液体变化和沉淀物的颜色，判断反应是否完成[8]。冷却至60 ℃以下后，采用负压过滤技术，使用玻璃砂芯漏斗进行过滤和洗涤，直至洗涤液的pH 稳定在6～7。随后进行离心分离，取出滤饼并放入干燥箱中，在115 ℃下干燥，以获得二水磷酸铁。使用激光粒度分析仪测定其粒度（μm），并以D50（样品累计粒度分布率达到50%时对应的粒径）表示结果[9-10]。

2 结果与讨论

2.1 原料配比对磷酸铁回收率的影响

其他试验条件一致时，采用不同的原料配比（铁磷物质的量比分别为1.00∶0.90、1.00∶1.00、1.00∶1.01、1.00∶1.02、1.00∶1.03、1.00∶1.04）进行试验，考察原料配比对磷酸铁回收率的影响。制备的磷酸铁样品中，FePO4·2H2O 含量分别为98.62%、98.91%、99.15%、99.03%、98.92%、98.86%， 回收率分别为95.1%、95.2%、96.5%、96.7%、96.7%、96.2%。铁磷物质的量比分别为1.00∶0.90、1.00∶1.00 时，浆液黏度很大，其他量比条件下浆液黏度较小。

随着磷酸加入量的增加，回收率表现为先增加后趋于稳定的趋势，铁磷物质的量比为1.00∶1.02时，其达到最大值，为96.7%。铁磷物质的量比从理论上应该为1.00∶1.00，两者量比为1.00∶0.90 时，溶液中过量铁可被沉淀的磷酸铁包藏，造成样品含量较低，回收率较低。铁磷物质的量比调整至1.00∶1.02，可以保证反应的完整性，避免未反应铁残留在产品中，样品回收率最高。进一步增加磷酸量时，回收率基本稳定，造成磷酸浪费。经试验确定，铁磷物质的量比取1.00∶1.02，此时回收率最大，浆料黏度较小。

2.2 硝酸浓度对磷酸铁回收率的影响

铁磷物质的量比为1.00∶1.02，其他试验条件一致时，采用不同浓度（35%、40%、45%、50%、55%）的硝酸进行试验，考察硝酸浓度对磷酸铁回收率的影响。制备的磷酸铁样品中，FePO4·2H2O 含量分别为98.89%、99.49%、99.87%、99.91%、99.20%，回收率分别为97.0%、96.7%、96.7%、96.7%、96.7%。硝酸浓度分别为35%和40%时，浆液黏度很大，其他硝酸浓度条件下浆液黏度较小。

随着硝酸浓度的增大， 磷酸铁样品中FePO4·2H2O 含量表现为先增加后降低的趋势。硝酸浓度为35%时，回收率最大，为97.0%，其他硝酸浓度的回收率基本稳定在96.7%。硝酸浓度增加有利于反应进行，回收率高，但浆料黏度影响后续料液的分离，同时易产生酸雾。经试验确定，硝酸浓度取50%，此时回收率为96.7%，浆料黏度较小。

2.3 反应温度对磷酸铁回收率的影响

铁磷物质的量比为1.00∶1.02，硝酸浓度为50%，其他试验条件一致时，采用不同反应温度（70 ℃、75 ℃、80 ℃、85 ℃、90 ℃）进行试验，考察反应温度对磷酸铁回收率的影响。制备的磷酸铁样品中，FePO4·2H2O 含量分别为98.96%、99.42%、99.57%、99.55%、99.59%，回收率分别为94.8%、95.2%、96.7%、96.7%、96.7%。

反应温度从70 ℃升高至90 ℃的过程中，磷酸铁样品中FePO4·2H2O 含量及回收率均表现为先增加后趋于稳定的趋势。反应温度为80 ℃时，FePO4·2H2O含量基本达到最大，为99.57%，此时回收率也达到最大，为96.7%。磷酸为弱酸，反应温度低于80 ℃时，生成磷酸铁的反应比较缓慢。经试验确定，反应温度取80 ℃，此时FePO4·2H2O 含量为99.57%，回收率为96.7%。

2.4 晶种加入量对磷酸铁回收率的影响

铁磷物质的量比为1.00∶1.02，硝酸浓度为50%，反应温度为80 ℃，其他试验条件一致时，加入不同量（晶种与硝酸铁的质量比为0.00%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%）的二水合磷酸铁晶种进行试验，考察晶种加入量对磷酸铁回收率的影响，结果如表1所示。

表1 二水合磷酸铁晶种加入量对磷酸铁回收率的影响

从表1 可知，加入二水合磷酸铁晶种后，对比未加入晶种，磷酸铁产品中FePO4·2H2O 含量、回收率都有提升，粒度（D50）得到优化。二水合磷酸铁晶种加入量对回收率的影响不大，对制备的磷酸铁样品中FePO4·2H2O 含量有一定影响，对产品粒径（D50）有一定影响。经试验确定，晶种与硝酸铁质量比取0.03%，此时FePO4·2H2O 含量、回收率均较好，产品粒径（D50）符合2～6 μm 的要求。

2.5 反应时间对磷酸铁回收率的影响

铁磷物质的量比为1.00∶1.02，硝酸浓度为50%，反应温度为80 ℃，晶种加入量为0.03%，其他试验条件一致时，采用不同的反应时间（10 h、11 h、12 h、13 h、14 h）进行试验，考察反应时间对磷酸铁回收率的影响，结果如表2所示。

表2 反应时间对磷酸铁回收率的影响

从表2 可知，反应时间从10 h 延长至14 h 的过程中，磷酸铁产品中，FePO4·2H2O 含量、回收率均表现为增长趋势，对产品粒径（D50）影响不大，均符合产品要求。经试验确定，最佳反应时间为12 h，此时节能效果好。

3 结论

本研究以硝酸铁、磷酸为原料，以二水合磷酸铁为晶种，采用共沉淀法制备二水磷酸铁，并采用单因素试验确定最佳工艺条件。铁磷物质的量比为1.00∶1.02，硝酸浓度为50%，反应温度为80 ℃，晶种加入量为0.03%，反应时间为12 h 时，制备的磷酸铁样品中，FePO4·2H2O 含量在99.80%以上，回收率约为99.7%，产品粒径（D50）质量指标符合要求。该二水磷酸铁制备工艺没有产生新杂质，产品质量得到保证且稳定。