CN102502878A - 一种由除尘灰制取纳米铁黑颜料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由除尘灰制取纳米铁黑颜料的方法,该方法是以硫酸浸洗除尘灰得到的混合溶液为原料液,先调节原料液中Fe3+与Fe2+的摩尔比在0.90:1~1.4:1之间;在室温和搅拌的条件下,将沉淀剂快速加入原料液中,使pH值达到7;加热反应液,升温至70-95℃,继续缓慢滴加沉淀剂于反应液中,保持pH为7;反应接近终点时,将pH值调节至9~10,在50~85℃下晶化30min,反应停止;出料,洗涤,过滤,滤饼于70~80℃烘干,经研磨就得到纳米铁黑颜料。本发明将废弃物再利用,工艺相对简单,成本低,所得铁黑颜料颜色纯正,料径为20~90nm,分布均匀,着色力、遮盖力等性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米铁黑颜料的制备方法,尤其涉及一种由除尘灰为原料制取纳米铁黑颜料的方法,属于废弃物再利用的技术领域。
背景技术
钢铁企业在生产过程中要排放大量的“三废”,其中产生的粉尘主要为除尘灰。除尘灰中含有大量的铁和炭资源,由于不能被直接回收利用,就成了废弃物。大量的除尘灰在堆积和运输的过程中,还对周围的环境造成严重污染和危害。目前国内对除尘灰的开发利用,主要用作烧结球团原料、水泥等建材用料、铁红、化工原料等,而这些利用的档次较低,对其中的铁、碳资源都造成极大的浪费。如果能对除尘灰合理地回收和利用,制成附加值更高的产品,不仅可以变废为宝,使除尘灰变成二次资源来利用,而且还能消除除尘灰的污染,有效改善周边环境。
中国专利CN86106586A和CN89102339公开了以炼钢炉烟道灰或炼钢铁泥为原料制取氧化铁黑的方法。由于原料中的铁多数以氧化物的形式存在,所以制取方法都是先除去原料中的杂质,然后前者提取出氧化铁红再生成氧化铁黑,后者直接提取得到氧化铁黑。而除尘灰中的铁主要是以铁粉的形式存在,所以较上述两种方法,以除尘灰为原料制取铁黑的制备工艺就有所不同。传统的铁黑制备方法有直接合成法、Fe(OH)2氧化法、苯胺法、铁黄还原法等。这些方法酸碱消耗量大,对环境污染较大。中国专利CN1803634和CN1775694公开的制备四氧化三铁的方法,需要在惰性气体如氮气的保护下进行,对制备环境要求较高。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种操作简单,成本低廉,对环境污染小的,利用除尘灰制取纳米铁黑颜料的方法。
本发明是通过如下技术方案实现的:
一种由除尘灰制取纳米铁黑颜料的方法,包括以下步骤:
1)以硫酸浸洗除尘灰得到的Fe2(SO4)3和FeSO4的混合溶液为原料液,并在该原料液中加入铁粉或铁屑,调节原料液中Fe3+离子与Fe2+离子的摩尔比在0.90:1~1.4:1之间;
2)室温下在上述原料液中一边滴加沉淀剂一边搅拌,使其先进行Fe3+离子与Fe2+离子的沉淀反应,并令pH值达到7,此时Fe3+离子完全转化为Fe(OH)3沉淀,同时有部分Fe(OH)2沉淀生成;
3)加热上述反应液到70℃-95℃,并继续滴加沉淀剂,保持pH值为7,使其进行Fe(OH)2的氧化反应和Fe(OH)2与 Fe(OH)3反应生成Fe3O4的加成反应;
4)观察产物的颜色变为饱和的黑色时,继续滴加沉淀剂将pH值调节至9~10,并用邻二氮菲或K3[Fe(CN)6]检测无Fe2+离子后,则停止加入沉淀剂,在50℃~85℃下再搅拌晶化30min;
5)出料,过滤,水洗至产物中无SO4 2-且pH为中性,将滤饼在70~80℃下烘干,最后经研磨得到纳米铁黑颜料。
本发明是以硫酸浸洗除尘灰得到的Fe2(SO4)3和FeSO4的混合溶液为原料液,在原料液中加入铁粉或铁屑,来调整原料液中Fe3+离子与Fe2+离子的摩尔比在0.90:1~1.4:1之间;然后在室温下,向原料液中边搅拌边滴加沉淀剂,使原料液中的Fe3+和Fe2+进行沉淀反应,具体反应式为:Fe3+ + 3OH-
→ Fe(OH)3↓,Fe2+ + 2OH-
→ Fe(OH)2↓,当pH值达到7的时候,原料液中的Fe3+离子完全转化成了Fe(OH)3沉淀,同时有部分Fe(OH)2沉淀生成;此时加热原料液到70℃-95℃,并继续滴加沉淀剂,保持pH值为7,使原料液进行反应,此时一部分Fe(OH)2会与空气中的氧发生反应而氧化成Fe(OH)3,具体反应式为:4Fe(OH)2 + O2
+ 2H2O → 4Fe(OH)3↓,而另一部分Fe(OH)2会与反应液中的Fe(OH)3发生加成反应,生成Fe3O4,具体的反应过程为:Fe(OH)2 +
2Fe(OH)3 → Fe(OH)2·2Fe(OH)3 → FeO·Fe2O3·4H2O → Fe3O4+4H2O;当反应液中的Fe(OH)2和Fe(OH)3全部充分反应完以后会生成Fe3O4;当反应液的颜色呈饱和的黑色时,再继续滴加沉淀剂,令pH值达到9~10,并用邻二氮菲或K3[Fe(CN)6]检测无Fe2+离子后,则停止加入沉淀剂,将温度降至50℃~85℃,使反应液晶化30min,晶化的过程就是让产物的晶核或晶粒长大的过程,是为了让晶粒的晶型更好、更完整,所以30min的晶化有利于生成结晶度较好、均匀性较好的Fe3O4晶体粒子;晶化完成后依次出料,过滤,水洗至产物中无SO4 2-且pH为中性,将得到的滤饼在70~80℃下烘干,最后经研磨便得到了本发明所述的纳米铁黑颜料。
进一步地,所述的沉淀剂为NaOH、Na2CO3、NH3·H2O或NH4HCO3。
本发明与现有技术相比有如下优点:
1、变废为宝,将除尘灰转化成了高附加值的产品,大大提高了经济效益和社会效益,同时避免了除尘灰对环境的污染,为利用除尘灰制备铁黑颜料开辟了一条新的途径。
2、制备方法相对简单,成本低廉,以Fe3+离子与Fe2+离子的混合溶液为原料液,与全部采用Fe2+离子为原料相比,节省了原料,降低了生产成本,工艺可行。
3、制取的铁黑颜料粒径为20~90nm,分布均匀,产品质量符合需求,颜色、着色力、遮盖力等性能均达到了国家标准,并较市售的铁黑性能好。
附图说明
图1是实施实例1制取的铁黑颜料的SEM照片。
图2是实施实例2制取的铁黑颜料的SEM照片。
图3是实施实例3制取的铁黑颜料的SEM照片。
图4是实施实例4制取的铁黑颜料的SEM照片。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步地描述:
实施例1
一种由除尘灰制取纳米铁黑颜料的方法,包括以下步骤:
1)取以硫酸浸洗除尘灰得到的Fe2(SO4)3和FeSO4的混合溶液250ml作为原料液放入四口瓶中,并在该原料液中加入铁粉或铁屑,使原料液中Fe3+离子与Fe2+离子的摩尔比为1.4:1;
2)室温下在上述原料液中加入浓度为2.5mol·L-1的Na2CO3为沉淀剂进行Fe3+离子与Fe2+离子的沉淀反应,同时搅拌,当pH = 2.1时,开始出现Fe(OH)3沉淀,pH = 3.2时,Fe3+离子沉淀完全,pH = 6.7时开始出现Fe(OH)2沉淀,直到使pH值达到7,此时Fe3+离子完全转化为Fe(OH)3沉淀,同时有部分Fe(OH)2沉淀生成;
3)加热上述反应液到90℃,并继续滴加Na2CO3沉淀剂,并保持pH值为7,进行Fe(OH)2氧化成Fe(OH)3的氧化反应和Fe(OH)2与 Fe(OH)3反应生成Fe3O4的加成反应;
4)观察产物的颜色变为饱和的黑色时,将pH值调节至9~10,并用邻二氮菲或K3[Fe(CN)6]检测无Fe2+离子后,则停止加入Na2CO3沉淀剂,在85℃下再搅拌晶化30min;
5)出料,过滤,水洗至产物中无SO4 2-且pH为中性,将滤饼于80℃的温度下烘干,最后经研磨得到纳米铁黑颜料。
本实施例方法中, Fe3+/Fe2+比值大,故Fe2+离子含量少,用于氧化反应的时间较短,较高的加热温度也会使反应加快,总的反应时间需要较短为2.5h,反应时间少时,粒子来不及长大,有利于生成较细小的粒子,所得铁黑颜料为黑色粉末,XRD鉴定为纯相,并经SEM得到其粒径范围在20~50nm内,如图1所示。
实施例2
实施例2同实施例1的方法相似,不同之处在于本实施例中采用的原料液中Fe3+离子与Fe2+离子的摩尔比为1.0:1,采用的沉淀剂为浓度为2.0mol·L-1的NaOH,加热反应温度为70℃,晶化反应温度为60℃,滤饼烘干温度为75℃。当Fe3+/Fe2+比值小时,Fe2+离子含量较多,要将大量的Fe(OH)2氧化所需的时间就长一些,另外,此实施实例中加热温度和晶化温度均较低,所以总的反应时间较长为6.0h,随反应时间的增长,有足够的时间使晶体长大,有利于生成晶化程度较好、均匀性较好、粒径较大的粒子,所得铁黑颜料为黑色粉末,XRD鉴定为纯相,并经SEM得到其粒径范围在50~90nm内,如图2所示。
实施例3
实施例3同实施例1的方法相似,不同之处在于本实施例中采用的原料液中Fe3+离子与Fe2+离子的摩尔比为0.9:1,采用的沉淀剂为浓度为1.5mol·L-1的NH3·H2O,加热反应温度为80℃,晶化温度为70℃,滤饼烘干温度为70℃。当Fe3+/Fe2+比值小时,Fe2+离子含量较多,要将大量的Fe(OH)2氧化所需的时间就长一些,另外,沉淀剂浓度也较低时,所需的反应时间也较长,所以总的反应时间较长为5小时10分钟,所得铁黑颜料为黑色粉末,XRD鉴定为纯相,并经SEM得到其粒径范围在40~80nm内,如图3所示。
实施例4
实施例4同实施例1的方法相似,不同之处在于本实施例中采用的原料液中Fe3+离子与Fe2+离子的摩尔比为1.35:1,采用的沉淀剂为浓度为3.0mol·L-1的NH4HCO3,加热反应温度为95℃,晶化温度为50℃,滤饼烘干温度为80℃。本实施例反应时间需要5小时30分钟,所得铁黑颜料为黑色粉末,XRD鉴定为纯相,并经SEM得到其粒子形状为针状,如图4所示。
Claims (2)
1.一种由除尘灰制取纳米铁黑颜料的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)以硫酸浸洗除尘灰得到的Fe2(SO4)3和FeSO4的混合溶液为原料液,并在该原料液中加入铁粉或铁屑,调节原料液中Fe3+离子与Fe2+离子的摩尔比在0.90:1~1.4:1之间;
2)室温下在上述原料液中一边滴加沉淀剂一边搅拌,使其先进行Fe3+离子与Fe2+离子的沉淀反应,并令pH值达到7,此时Fe3+离子完全转化为Fe(OH)3沉淀,同时有部分Fe(OH)2沉淀生成;
3)加热上述反应液到70℃-95℃,并继续滴加沉淀剂,保持pH值为7,使其进行Fe(OH)2的氧化反应和Fe(OH)2与 Fe(OH)3反应生成Fe3O4的加成反应;
4)观察产物的颜色变为饱和的黑色时,继续滴加沉淀剂将pH值调节至9~10,并用邻二氮菲或K3[Fe(CN)6]检测无Fe2+离子后,则停止加入沉淀剂,在50℃~85℃下再搅拌晶化30min;
5)出料,过滤,水洗至产物中无SO4 2-且pH为中性,将滤饼在70~80℃下烘干,最后经研磨得到纳米铁黑颜料。
2.根据权利要求1所述的一种由除尘灰制取纳米铁黑颜料的方法,其特征在于:所述的沉淀剂为NaOH、Na2CO3、NH3·H2O或NH4HCO3。
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Legal Events
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120620 |