氯化鑭與磷酸氫根和碳酸根的反應原理

一、 與磷酸氫根（HPO?2?）的反應

1. 核心原理與方程式

磷酸氫根（HPO?2?）是一個兩性離子，既可作為酸（給出質子 H?），也可作為堿（接受質子 H?）。它與 La3? 的反應，本質上是 La3? 作為硬酸，優先與 HPO?2? 中的氧原子（硬堿）配位，形成穩定的絡合物，最終沉淀為磷酸鑭（LaPO?）。

化學方程式：

LaCl? (aq) + Na?HPO? (aq) → LaPO? (s) ↓ + 2NaCl (aq) + HCl (aq)

這個方程式表明，反應會生成鹽酸（HCl），使溶液的 pH 值降低。

離子方程式：

La3? (aq) + HPO?2? (aq) ? LaPO? (s) ↓ + H? (aq)

2. pH 值的關鍵作用

這個反應對 pH 值極其敏感，主要體現在以下幾點：

反應的 pH 范圍：反應通常在弱酸性至中性條件下進行（pH ≈ 4-7）。

pH 過低（強酸性）：如果溶液中 H?濃度過高，H?會與 HPO?2?反應，將其轉化為更質子化的形式：

HPO?2? + H? → H?PO??

這會導致溶液中自由的 PO?3?或 HPO?2?濃度急劇下降，使得 La3?無法有效沉淀，甚至不產生沉淀。

pH 過高（堿性）：如果溶液中 OH?濃度過高，La3?會優先與 OH?反應生成更難溶的氫氧化鑭（La (OH)?）沉淀：

La3? (aq) + 3OH? (aq) → La(OH)? (s) ↓

這會干擾目標產物 LaPO?的生成，導致產物不純。

最佳實踐：為了獲得純凈的 LaPO?沉淀，通常會使用緩沖溶液（如醋酸 - 醋酸鈉緩沖液）來精確控制反應體系的 pH 值，或者在滴加過程中緩慢調節 pH，以確保反應按預期進行。

二、 與碳酸根（CO?2?）的反應

1. 核心原理與方程式

碳酸根（CO?2?）是一個強堿，極易從水中奪取質子生成碳酸氫根（HCO??）和碳酸（H?CO?）。它與 La3?的反應非常迅速且徹底，生成難溶的碳酸鑭（La?(CO?)?）。

化學方程式：

2LaCl? (aq) + 3Na?CO? (aq) → La?(CO?)? (s) ↓ + 6NaCl (aq)

離子方程式：

2La3? (aq) + 3CO?2? (aq) → La?(CO?)? (s) ↓

2. pH 值的關鍵作用

碳酸根的強堿性決定了其反應的 pH 環境：

反應的 pH 范圍：反應在中性至強堿性條件下進行。

CO?2?的水解：CO?2?在水中會發生強烈的水解：

CO?2? + H?O ? HCO?? + OH?

這使得含有 CO?2?的溶液本身就呈堿性。

pH 過低（酸性或弱酸性）：如果溶液呈酸性，H?會與 CO?2?反應，使其分解：

CO?2? + 2H? → H?O + CO? (g) ↑

二氧化碳（CO?）氣體的逸出會導致溶液中 CO?2?濃度迅速降低，可能無法生成 La?(CO?)?沉淀，或者沉淀溶解。

最佳實踐：為了確保 La3?完全沉淀，通常會使用稍過量的 Na?CO?溶液，這不僅能提供充足的 CO?2?，還能維持溶液的堿性環境，抑制 La (OH)?的生成（盡管在強堿性下仍需小心控制）。

在污水除磷工藝中，氯化鑭的作用是將水溶性的磷 “固定” 成不溶于水的磷酸鑭，而真正的 “消除” 是通過絮凝沉淀等物理手段將其從水體中分離出來，并最終隨污泥進行妥善處理和處置。

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