第三章 铁氧化物在水处理中应用及水的磁处理技术

3.1 铁氧化物的结构特点及性质

3.1.1 铁氧化物的结构特点

铁的常见价态有+3价、+2价，铁的氧化物有三种：FeO、Fe3O4和Fe2O3。FeO很不稳定，易被进一步氧化。

α-Fe2O3，即赤铁矿，自然界广泛存在的铁氧化物，具有刚玉（Al2O3）结构，在其中每个铁原子八面体地被6个氧原子所包围，而氧原子则是六方紧堆的。

γ-Fe2O3，与α-Fe2O3互为同分异构体，不存在于自然界，但可以氧化Fe3O4或将γ-FeOOH（纤铁矿）加热来制备。它具有尖针石结构，氧原子处于立方紧堆排布，而铁原子则无序地分布在氧原子堆积的四面体和八面体孔穴中。

Fe3O4是一种混合的Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）氧化物，它在自然界中出现为磁铁矿。它具有反尖晶石结构，在其中的氧原子处于立方紧堆结构，Fe2+离子占入八面体孔穴，而Fe3+离子则一半占入八面体孔穴和一半占入四面体孔穴中。

Fe3+是Lewis硬酸，不仅与O2-，还能与H2O, -OH等配位体（Lewis碱）配位成八面体结构，形成Fe（Ⅲ）的羟基化合物或水合物。α-FeOOH即针铁矿，在土壤中最常见的铁氧化物，在海洋铁锰结核中也广泛存在。它属斜方晶系，其中O2-与OH- 呈六方紧密堆积，Fe原子位于八面体空隙中组成Fe（O, OH）6配位八面体。八面体的棱连接成双链沿C轴延伸，双链间以顶角相连，主要晶面与C轴平行方向有相间排列的凹槽和棱纹。棱纹有3种不同的—OH，分别与1、2、3个Fe原子连接，凹槽里的O与3个Fe相连接，这种表面结构提供了表面离子吸附的反应位点[82]。

3.1.2 铁氧化物的性质

（1）磁性

磁性是铁氧化物的主要特性，磁性或强或弱，与氧化物的结构，所含杂质等因素有关。表3-1[83]列出某些铁氧化物的磁性。

（2）表面电性质

在有水的情况下，氧化铁表面羟基化，表面电荷的符号和数量决定于体系的pH值。如式（3-1）。

氧化铁表面电位（ψ0）与pH值的关系，如式3-2：

PZC是无专属吸附的情况下ψ0=0时体系的pH值，即零电点。不同的铁氧化物，具有不同的零电点，如磁铁矿零电点6.5左右，针铁矿零电点在7～9之间。

氧化铁表面的Fe3+可与-OH, -OH2，亲核性较强的含氧酸根，如等，以及F-离子等配位；对过渡金属和重金属阳离子有很大的亲和力。