硫鐵礦燒渣水熱法制備云母氧化鐵及其基礎(chǔ)理論研究.pdf

1、本文首次以硫鐵礦燒渣為原料，采用水熱法制備了云母氧化鐵(MIO)，開展了云母氧化鐵的形成機(jī)理及其表面改性和防腐性能研究。
　　 硫鐵礦燒渣經(jīng)硫酸酸浸后，以氨水為沉淀劑，在中性條件下采用水熱法制得了云母氧化鐵。在反應(yīng)溫度為230℃，n(Fe2+)/n(Fe3+)為0.07～0.1，總鐵濃度為1.25mol·L-1，氧化鐵紅晶種量為5g·L-1及反應(yīng)時(shí)間為30 min的適宜工藝條件下制得云母氧化鐵。所得的云母氧化鐵為規(guī)則的正六邊形單

2、晶α-Fe2O3片狀體，粒徑約為0.5μm，徑厚比為5左右；云母氧化鐵中Fe2O3含量為98.54％，其產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到涂料用云母氧化鐵顏料國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO10601-2007)要求。
　　 中性條件下，系統(tǒng)研究了Fe2+、Al3+的作用下云母氧化鐵的形成機(jī)理。Fe2+催化了Fe(OH)3膠體的溶解，促進(jìn)了α-Fe2O3晶體的生長。隨著Fe2+濃度的增加氧化鐵粒徑逐漸增大，形成的氧化鐵粒子為立方體，這是由于SO42-在氧化鐵晶體{0

3、12}晶面上的吸附所致。Al3+存在下，隨著Al3+濃度的增加所得氧化鐵晶胞參數(shù)a和c呈線性減少，其形貌為小片狀體，這歸功于Al3+在氧化鐵晶體(0001)晶面的吸附，抑制了氧化鐵晶體在z軸方向的生長。模擬硫鐵礦燒渣酸浸液制備云母氧化鐵實(shí)驗(yàn)表明，云母氧化鐵的形成歸功于Al3+在氧化鐵晶體(0001)晶面的吸附和SO42-在{012}晶面的吸附而導(dǎo)致受限生長，云母氧化鐵形成過程主要以溶解-再結(jié)晶機(jī)理為主，同時(shí)存在固相轉(zhuǎn)化機(jī)理。
　　

4、 高堿性介質(zhì)下，以硫鐵礦燒渣酸浸液為原料，采用水熱法制得云母氧化鐵。NaOH濃度對云母氧化鐵的制備起決定性作用，隨著NaOH濃度的增加，氧化鐵形貌由球形體變?yōu)槠瑺铙w，其粒徑逐漸增加。云母氧化鐵適宜的制備工藝條件為：NaOH濃度≥7.0mol·L-1，總鐵濃度為0.94～2.2mol·L-1，反應(yīng)溫度≥200℃，反應(yīng)時(shí)間為0.5h，攪拌速度為200r·min-1及不需加氧化鐵紅晶種。該條件下所得云母氧化鐵顏色為鋼灰色，粒子為均勻大小的片

5、狀體，粒徑和徑厚比分別為7μm、7.0；云母氧化鐵中Fe2O3含量達(dá)99.34％，達(dá)到涂料用云母氧化鐵顏料國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO10601-2007)要求。
　　 高堿介質(zhì)下研究了Al、Si對云母氧化鐵晶體生長的影響。研究表明，Al存在下云母氧化鐵片狀體厚度變薄，且隨著Al含量的增加，云母氧化鐵粒子粒徑逐漸減小，Al以[Al(OH)4]-形式吸附在氧化鐵晶體(0001)晶面上；Si存在下阻礙了Fe(OH)3膠體向Fe2O3相轉(zhuǎn)化，并隨

6、著Si含量的增加阻礙作用越強(qiáng)。
　　 基于α-Fe2O3晶體的結(jié)晶形態(tài)系統(tǒng)地構(gòu)建了云母氧化鐵晶體生長條件，探討出高堿介質(zhì)下云母氧化鐵的形成歸功于OH-在α-Fe2O3晶體(0001)晶面上的強(qiáng)烈吸附，降低了(0001)面的晶面能，抑制了α-Fe2O3晶體沿z軸方向的生長，使(00001)面顯露。
　　 系統(tǒng)研究了云母氧化鐵表面改性對親油性和親水性的影響。當(dāng)硬脂酸鈉用量為5.0％，球料比為8:1，球磨時(shí)間為2h時(shí)，云母氧化

7、鐵的親油化度為43.5％，云母氧化鐵由親水性變?yōu)橛H油性；當(dāng)KH550用量為1.5％，球料比為8:1，球磨時(shí)間為1h時(shí)，改性云母氧化鐵的初始濁度和靜置60min后的濁度均達(dá)到最大值，其親水分散性良好。IR和TG-DSC分析表明，硬脂酸鈉改性的云母氧化鐵，其表面-OH與硬脂酸發(fā)生了脂化反應(yīng)，云母氧化鐵表面帶上-CH2-基團(tuán)，表現(xiàn)出親油憎水性；云母氧化鐵經(jīng)KH550改性，其表面-OH基團(tuán)與KH550水解生成的硅醇成氫鍵結(jié)合，并脫水形成Si-O

8、-Fe鍵。偶聯(lián)劑高分子鏈通過空間位阻作用使云母氧化鐵在水性介質(zhì)中穩(wěn)定分散。XRD和TEM分析表明改性后云母氧化鐵晶型和形貌沒發(fā)生改變。
　　 借助電化學(xué)阻抗譜技術(shù)及涂層附著力分析研究了環(huán)氧MIO涂層的防腐性能，比較了不同形貌粒徑的氧化鐵環(huán)氧涂層的防腐性能。開路電位測量結(jié)果表明，MIO用量為50％的環(huán)氧涂層在3.5％NaCl溶液中浸泡72h后開路電位最高，其防腐性能最佳。電化學(xué)阻抗譜實(shí)驗(yàn)表明，MIO含量為50％的環(huán)氧涂層浸泡32d

9、后涂層電阻最大，為3.5×106Ω·cm2，達(dá)到有機(jī)涂層阻抗值>1.0×106Ω·cm2要求，具有較好的防腐性能。Machu實(shí)驗(yàn)和沸水浸泡實(shí)驗(yàn)表明，MIO含量為40％和50％的環(huán)氧涂層表面未出現(xiàn)起皮和鼓泡現(xiàn)象，具有較好的涂層附著力。不同粒徑MIO環(huán)氧涂層和球形氧化鐵環(huán)氧涂層在3.5％NaCl溶液浸泡10d后，粒徑為7.0μm的MIO環(huán)氧涂層高頻段的阻抗為6.10×106Ω·cm2，粒徑為1.0μm的MIO環(huán)氧涂層高頻段的阻抗為1.89×