第三章 鐵氧化物在水處理中應用及水的磁處理技術

3.1 鐵氧化物的結構特點及性質

3.1.1 鐵氧化物的結構特點

鐵的常見價態有+3價、+2價，鐵的氧化物有三種：FeO、Fe3O4和Fe2O3。FeO很不穩定，易被進一步氧化。

α-Fe2O3，即赤鐵礦，自然界廣泛存在的鐵氧化物，具有剛玉（Al2O3）結構，在其中每個鐵原子八面體地被6個氧原子所包圍，而氧原子則是六方緊堆的。

γ-Fe2O3，與α-Fe2O3互為同分異構體，不存在于自然界，但可以氧化Fe3O4或將γ-FeOOH（纖鐵礦）加熱來制備。它具有尖針石結構，氧原子處于立方緊堆排布，而鐵原子則無序地分布在氧原子堆積的四面體和八面體孔穴中。

Fe3O4是一種混合的Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）氧化物，它在自然界中出現為磁鐵礦。它具有反尖晶石結構，在其中的氧原子處于立方緊堆結構，Fe2+離子占入八面體孔穴，而Fe3+離子則一半占入八面體孔穴和一半占入四面體孔穴中。

Fe3+是Lewis硬酸，不僅與O2-，還能與H2O, -OH等配位體（Lewis堿）配位成八面體結構，形成Fe（Ⅲ）的羥基化合物或水合物。α-FeOOH即針鐵礦，在土壤中最常見的鐵氧化物，在海洋鐵錳結核中也廣泛存在。它屬斜方晶系，其中O2-與OH- 呈六方緊密堆積，Fe原子位于八面體空隙中組成Fe（O, OH）6配位八面體。八面體的棱連接成雙鏈沿C軸延伸，雙鏈間以頂角相連，主要晶面與C軸平行方向有相間排列的凹槽和棱紋。棱紋有3種不同的—OH，分別與1、2、3個Fe原子連接，凹槽里的O與3個Fe相連接，這種表面結構提供了表面離子吸附的反應位點[82]。

3.1.2 鐵氧化物的性質

（1）磁性

磁性是鐵氧化物的主要特性，磁性或強或弱，與氧化物的結構，所含雜質等因素有關。表3-1[83]列出某些鐵氧化物的磁性。

（2）表面電性質

在有水的情況下，氧化鐵表面羥基化，表面電荷的符號和數量決定于體系的pH值。如式（3-1）。

氧化鐵表面電位（ψ0）與pH值的關系，如式3-2：

PZC是無專屬吸附的情況下ψ0=0時體系的pH值，即零電點。不同的鐵氧化物，具有不同的零電點，如磁鐵礦零電點6.5左右，針鐵礦零電點在7～9之間。

氧化鐵表面的Fe3+可與-OH, -OH2，親核性較強的含氧酸根，如等，以及F-離子等配位；對過渡金屬和重金屬陽離子有很大的親和力。