用硫酸亞鐵制備納米級(jí)氧化鐵工藝探討

硫酸法鈦白副產(chǎn)硫酸亞鐵全國(guó)每年產(chǎn)出數(shù)十萬(wàn)噸,除部分被利用外,大部分堆積放置,不僅浪費(fèi)資源且污染環(huán)境｡利用硫酸法鈦白副產(chǎn)硫酸亞鐵制備高檔納米氧化鐵,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯｡

2 工藝原理及實(shí)驗(yàn)

2.1硫酸亞鐵的凈化

副產(chǎn)硫酸亞鐵中的雜質(zhì)金屬離子會(huì)使生成的氧化鐵顏料色澤不正,尤其是副產(chǎn)中的TiO₂,當(dāng)其含量大于0.2%時(shí),對(duì)產(chǎn)品的色澤有明顯的影響｡因此須對(duì)副產(chǎn)硫酸亞鐵凈化處理,保證產(chǎn)品中TiO₂含量不大于0.05%｡

將副產(chǎn)硫酸亞鐵配制成適當(dāng)濃度(固液比1∶3)的溶液,并用硫酸將溶液調(diào)至pH0.5~1.0,加熱到70°C左右,加入適量沉淀劑A,再加入0.1%~1.0%的3#絮凝劑,攪拌后靜置,鈦絮凝成為白色絮狀雜質(zhì),過(guò)濾后得純凈的硫酸亞鐵溶液｡

2.2晶種的制備

將凈化的硫酸亞鐵溶液調(diào)制成固液比1∶7､pH2~3的溶液,加熱到40~50°C,加入相當(dāng)于硫酸亞鐵重量濃度3‰的分散劑A和4%的分散劑B,攪拌均勻后加入6%的液氨,并迅速通入適量的空氣,得到FeO(OH)晶核｡

2.3鐵黃生成

將上述帶晶核的溶液加熱到50~60°C,繼續(xù)通入液氨和空氣,至硫酸亞鐵全部消耗為止,整個(gè)反應(yīng)過(guò)程維持3~5h,所得透明產(chǎn)品經(jīng)過(guò)濾洗滌,在80~90°C下干燥得納米鐵黃顏料,或在330~350°C下煅燒,得納米鐵紅顏料｡其工藝流程如圖1｡

2.4產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果

產(chǎn)品經(jīng)掃描電鏡在10萬(wàn)倍下觀察并照相,其顆粒呈紡綞狀,平均粒徑長(zhǎng)軸0.12μm,短軸0.07μm,屬納米氧化鐵｡

3 結(jié)果與討論

3.1硫酸亞鐵純度對(duì)產(chǎn)品色澤的影響

用不同純度的硫酸亞鐵制備氧化鐵黃,得3到的結(jié)果是:1沒(méi)有凈化的副產(chǎn)硫酸亞鐵所得鐵黃為暗灰黃色或褐黃色粉末,且其粒度偏大,平均粒徑為長(zhǎng)軸0.16μm,短軸0.04μm;2凈化后的硫酸亞鐵所得的產(chǎn)品與商品級(jí)納米氧化鐵黃各項(xiàng)指標(biāo)很相近｡

因此,副產(chǎn)硫酸亞鐵凈化是十分必要的｡

3.2分散劑及表面活性劑的影響

實(shí)驗(yàn)表明,分散劑用量可在一定范圍內(nèi)控制產(chǎn)品粒徑,其規(guī)律是:產(chǎn)品粒徑隨分散劑用量增加而變小;當(dāng)分散劑用量低于硫酸亞鐵量的0.15%時(shí),分散效果明顯變差,產(chǎn)品粒徑增大｡合適的分散劑用量范圍是硫酸亞鐵量的0.24%~1%｡分散劑和表面活性劑的復(fù)合作用,十分有利于得到所需的納米級(jí)產(chǎn)品｡單獨(dú)使用分散劑而不加表面活性劑,即使明顯增加分散劑用量,其產(chǎn)品粒徑比復(fù)合使用分散劑和表面活性劑的產(chǎn)品粒徑要增大2倍,得不到納米級(jí)產(chǎn)品｡由于納米級(jí)氧化鐵產(chǎn)品顆粒級(jí)細(xì),其表面位能很高,在分散體系中熱力學(xué)上很不穩(wěn)定,相互碰撞后極易凝聚成團(tuán)｡通過(guò)加入分散劑和表面活性劑,可以降低產(chǎn)品粒子的表面位能,同時(shí)分散劑和表面活性劑選擇性吸附在產(chǎn)品顆粒表面,并在界面上形成雙電層,顆粒表面的新水層因相互排斥而不能凝聚,從而達(dá)到穩(wěn)定分散的目的｡

3.3反應(yīng)物濃度的影響

反應(yīng)物濃度直接影響到所生成的產(chǎn)品粒度及生產(chǎn)成本的高低｡實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)反應(yīng)物濃度過(guò)高,反應(yīng)物料變得粘稠,反應(yīng)生成物的不均勻性增大,從而使產(chǎn)品粒度分布分散,粒度一致性降低,影響生成產(chǎn)品質(zhì)量;但是反應(yīng)物濃度過(guò)低,則生產(chǎn)成本增大,缺乏實(shí)用價(jià)值｡

此外,液氨與硫酸亞鐵的配比還將影響到產(chǎn)品的色澤和粒度｡不同配比的液氨和硫酸亞鐵與粒度組成的關(guān)系見(jiàn)圖2｡液氨濃度過(guò)低,將延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率和回收率均偏低｡

1-硫酸亞鐵予凈化; 2-硫酸亞鐵未凈化;

1､3､4､5表示液氨與硫酸亞鐵重量比分別為1∶4､1∶5､1∶3.5､1∶2.5時(shí)的粒度特性

3.4溫度影響

在制備晶核過(guò)程中,反應(yīng)溫度應(yīng)控制在40°C左右,溫度過(guò)高和過(guò)低都將影響產(chǎn)品的粒度和反應(yīng)速度｡在氧化過(guò)程中,反應(yīng)溫度宜控制在50°C左右,溫度過(guò)高使產(chǎn)品粒度明顯增大,溫度偏低雖然有利于制備超細(xì)粒子,但反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)｡圖3為反應(yīng)溫度與產(chǎn)品粒度的關(guān)系圖｡

4結(jié)語(yǔ)

鈦白副產(chǎn)硫酸亞鐵通過(guò)凈化,添加不同的沉淀劑及分散劑可生產(chǎn)納米級(jí)高檔氧化鐵,在技術(shù)上是可行的｡初步估算,其生產(chǎn)成本僅為同類產(chǎn)品的1/4~1/3,不但有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,更重要的是為合理利用鈦白副產(chǎn)固廢資源尋找了一條有效的途徑｡