云母氧化铁的制备与应用

摘要:介绍了云母氧化铁的性质、制备方法和应用前景,着重探讨了云母氧化铁的合成技术,指出了我国云母氧化铁生产、应用动态和今后发展的方向,指出开发利用天然云母氧化铁和由铁资源尤其是工业副产铁资源合成的云母氧化铁在我国具有很重要的意义。
1制备技术
1.1机械加工法
天然云母氧化铁的生产一般是采用机械加工法,工艺简单,便于操作,但产品杂质含量高,纯度多在80%~90%之间,没有规整的外形,粒度分布不均匀,很难满足一些高档精细颜料的要求。
1.2熔盐高温络合物氧化法
该法以废铁屑为原料,用氯气氯化成无水氯化铁,再与工业食盐反应生成熔融复合物,熔融复合物在高温下氧化成云母氧化铁。反应分3步进行:
氯化:2Fe+3Cl22FeCl32FeCl3+Fe3FeCl22FeCl2+Cl22FeCl3
络合:FeCl3+NaClNaFeCl4FeCl2+NaClNaFeCl3
氧化:2NaFeCl4+3/2O2-Fe2O3+2NaCl+3Cl2
2NaFeCl3+3/2O2-Fe2O3+2NaCl+2Cl2
该反应器是一个衬有耐火材料的圆柱型钢壳,反应器中装有瓷球作为反应支充物,反应时将瓷球、铁屑和工业食盐混合,置于反应器中。为保证产品质量,瓷球应均匀分散反应物中。瓷球同时还可作为该反应的气体分布器。将填充物料底部预热至700℃左右,然后通入氯气和空气的混和物,氯与预热后的铁屑和工业食盐反应形成一个反应区,在瓷球的表面形成一层NaFeCl4和NaFeCl3的膜(控制膜的厚度大于150um)。通入空气使NaFeCl4和NaFeCl3膜氧化为片状氧化铁晶体并放出氯气。放出的氯气向反应器上方移动又形成一个新的反应区,重复上述步骤,直至反应达到顶部。反应完毕后,将合成的云母氧化铁从瓷球上取下,收集在过滤器中,洗涤至不含氯化物,干燥、磨碎、筛分包装得产品。反应介质氯气和NaCl可回收使用。
该工艺中通过调节瓷球的大小和铁原料与瓷球的重量比来控制产品云母氧化铁的厚度与片径。厚度可在05~5um、片径在1~100um之间变化,Fe2O3含量可达97.5%左右。该法的反应为放热反应,所以只要预热引发反应,以后则可靠自身反应热维持反应温度,因而有能耗低的特点。
1.3水热处理法
1.3.1FeSO4直接氧化法
该法是以钛白副产硫酸亚铁为原料来合成云母氧化铁。硫酸亚铁在60℃溶于水制成饱和溶液,并在此温度下氧化成水合硫酸铁浆液,再与水合氢氧化钠反应生成水合氢氧化铁膏状物。然后在150℃以上和过量碱存在的条件下,在高压釜中进行水热处理,即有六角形晶粒结晶析出。然后降温至80℃分离得产品,残液中的NaOH经分离后可以重新使用。
所用氧化剂是氯酸钠;水热处理的最低温度是150℃,低于此温度水热结晶不能进行;最佳温度宜控制在180~220℃;蒸汽压力在1.0~2.3MPa。产品云母氧化铁的粒径明显的受反应系统中氢氧化钠浓度的影响,氢氧化钠浓度越大产品粒径相应的就越大。当氢氧化钠浓度在5~14mol/L范围变化时,粒径则在20~50um之间变化。
为了得到较大粒径的云母氧化铁,美国的Ado等在FeSO4氧化后的浆液中加入一种结晶添加剂硼酸或硼酸盐以促进水热结晶过程中晶粒的生长,这样制得的云母氧化铁粒径范围为30~100um.
1.3.2FeSO4间接氧化法
该法是将FeSO4溶于水,加入Na2CO3,生成FeCO3沉淀。将沉淀洗涤后放入高压釜中,加入过量碱,密闭高压釜,持续通入氧气并维持一定压力,升温至一定温度进行氧化反应和结晶,然后继续升温至一定温度进行结晶陈化。冷却后过滤、洗涤、干燥即得云母氧化铁晶粒。氧化阶段的温度通常控制在150~260℃,时间在4~7h。结晶陈化温度控制在250~280℃,时间在2~3h。此法也可以用CaO做为Fe2+的沉淀剂,反应液中的SO2-4则以石膏的形式沉淀析出,反应结束后利用沉积作用将其与云母氧化铁分开,并且此法采用氧气作为氧化剂不会产生二次污染物,NaOH又可以循环利用,因此,该法若能解决设备的耐压问题,可以作为解决当今钛白生产中大量副产FeSO4(1t钛白副产3.5~4t硫酸亚铁)去路问题的一种途径。
通过控制反应系统中NaOH浓度和氧气的压力可控制产品云母氧化铁的粒径。NaOH浓度通常控制在8~12mol/L,调节氧气的压力得到的产品的粒径为5~70um,Fe2O3含量为97%~98%,颜色有银灰色和紫色两种。
1.3.3磁铁矿氧化法
该法是将铁矿石、FeCl2等含铁原料和NaOH放入高压釜中,釜中空气用N2置换掉,搅拌升温反应,首先生成磁铁矿微小晶粒。然后冷却至90℃再加入氧化剂NaClO3,升温至一定温度进行水热氧化反应和结晶,即有六角形片状晶粒析出。再冷却至室温,过滤、洗涤、干燥、即得云母氧化铁。
此法中云母氧化铁的粒径受水热反应体系中的碱液浓度、温度和体系的升温速率等控制。在较高的碱液浓度、温度和较慢的升温速率条件下,会得到较大粒径的云母氧化铁晶粒。同时还受第一步中生成的磁铁矿微小晶粒的粒径影响。为此要制得理想粒径的云母氧化铁,首先要制得理想的磁铁矿微小晶粒。利用此法制得的产品粒径为1~50um,Fe2O3含量可达99.0%。
2云母氧化铁的应用
2.1防锈颜料
云母氧化铁主要用作防锈颜料。云母氧化铁的片状结构具有优良的屏蔽性。还具有反射外来光线、吸收紫外线、降低紫外线对漆膜的破坏作用。因此,被广泛用作永久性钢建筑的防锈颜料,如桥梁、塔架、护栏、车辆、船舶面漆等。使用寿命都达15a以上。
2.2珠光颜料
利用云母氧化铁的片状性、无毒性、光泽性、对酸、碱、有机溶剂的稳定性和吸收紫外线的能力,进一步开发出各种功能颜料和珠光颜料,如用作化妆品、印刷油墨、太阳霜、太阳伞、皮革、食品包装和室外建筑装饰材料面漆等。国内已有部分生产商已经或正在开发这些产品。其价格昂贵,有的在万元/t以上,前景看好。

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