CN104291848A

CN104291848A - 一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法

Info

Publication number: CN104291848A
Application number: CN201410557190.7A
Authority: CN
Inventors: 白佳海; 唐钰栋; 刘俊成
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-10-21
Also published as: CN104291848B

Abstract

本发提供的是一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石（FeAl₂O₄）的方法，属于耐火材料制备技术领域。一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于采用以下步骤：（1）把硝酸铝、硝酸铁、尿素、甘氨酸溶解到蒸馏水中配制成溶液；将含棉布料浸到上述溶液中浸泡10分钟，然后取出并拧出多余的水分，并在50℃下干燥10小时；（2）把所述的浸泡、干燥后的布料放入隧道窑内，快速加热升温到400-600℃，然后在弱还原性气氛下加热升温到1300-1500℃并保温5-8小时。本发明工艺、设备简单、成本低、易于操作、可连续、规模化合成高纯度亚铁铝尖晶石。

Description

一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法

技术领域

本发提供的是一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石（FeAl₂O₄）的方法，属于耐火材料制备技术领域。

背景技术

目前，我国水泥窑炉烧成带所用的耐火材料一般是镁铬砖。由于镁铬砖中含有较多的三价铬（Cr³⁺），而三价铬在高温下很容易转变为严重污染环境、危害人类健康的六价铬（Cr⁶⁺），所以，生产镁铬砖的替代产品，降低水泥中的铬含量，甚至使水泥中不含铬，是急需解决的一个问题。其中，镁铁铝尖晶石砖是一种非常有潜力的铬镁砖的替代产品，具有导热系数低、耐火保温、绿色环保等优点。镁铁铝尖晶石砖的重要原料之一是亚铁铝尖晶石，但亚铁铝尖晶石在自然界中的含量极少，只能依靠人工合成的方法制备。如CN201210051106 “一种制备铁铝尖晶石的方法”专利申请中用铝盐、铁盐、碱性溶液制备了沉淀物，然后加入石墨粉等在中性气氛下于1100-1700 ℃烧结6小时后可制备出铁铝尖晶石；如CN201010104503 “合成亚铁铝尖晶石的方法”专利申请利用Fe₂O₃含铁化合物、铁粉和Al₂O₃等含铝化合物为原料，外加结合剂，在氮气气氛下合成了亚铁铝尖晶石。

国内外合成亚铁铝尖晶石的主要方法是电熔法和烧结法。电熔法是把原料完全熔融而合成亚铁铝尖晶石，所以能耗高、成本高，且这种技术基本被奥镁公司（RHI）所垄断。烧结法是国内较常用的一种合成亚铁铝尖晶石的方法，其关键技术在于使铁离子在高温度下以二价铁（Fe²⁺）的形式存在。国内外一般采用氮气保护气氛和（或）埋碳的方法使二价铁（Fe²⁺）在高温下稳定存在。但是，使用氮气保护气氛，不利于连续规模化生产；如果采用埋碳的方法，由于碳的大量存在，很容易导致氧化铁或氧化亚铁在高温下被还原为单质铁，使得合成的亚铁铝尖晶石纯度降低。

另一方面，随着我国经济的发展和人口数量的增多，纺织品的消耗量迅速增加，大量废旧纺织品被作为垃圾掩埋、焚烧、既造成了资源的浪费，也造成了环境污染。因此，开发对废旧纺织品的有效利用技术，既能产生经济效益，还具有巨大的社会效益。本发明提供的是一种以含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法。该方法可采用新的含棉布料，但更具有意义是也可直接采用洗涤干净的废旧含棉布料，也可采用再生的含棉布料。因此，本发明提供的用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，除了具有良好的经济前景外，还具有巨大的社会效益。

本发明提供一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法。该方法具有亚铁铝尖晶石纯度高、工艺、设备简单、成本低、易于操作、可连续规模化生产等优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺、设备简单、成本低、易于操作、可连续、规模化合成高纯度亚铁铝尖晶石（FeAl₂O₄）的方法，其技术方案为：

一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于采用以下步骤：（1）把硝酸铝、硝酸铁、尿素、甘氨酸溶解到蒸馏水中配制成溶液；将含棉布料浸到上述溶液中浸泡10分钟，然后取出并拧出多余的水分，并在50℃下干燥10小时；（2）把所述的浸泡、干燥后的布料放入隧道窑内，快速加热升温到400-600℃，然后在弱还原性气氛下加热升温到1300-1500 ℃并保温5-8小时。

所述的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于步骤（1）所述中的溶液中，硝酸铝、硝酸铁、尿素、甘氨酸的浓度比是2：1：5：0.6，其中硝酸铝的浓度在1.0~2.0 mol/L的范围内。

所述的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于步骤（1）中的含棉布料是指布料中的棉含量不低于90 wt%，其他成分为涤纶、氨纶、羊毛中的一种或几种。

所述的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于步骤（1）中的含棉布料不仅包括新含棉布料，也可以包括废旧含棉布料和再生含棉布料。

所述的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于步骤（2）中的快速加热升温是指升温速度为20-50 ℃/min。

所述的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于步骤（2）中的弱还原气氛指的是气氛中O₂的体积分数是0.3~0.6%，CO的体积分数是 1~2.5%。

本发明的工作原理：

硝酸铝、硝酸铁、尿素、甘氨酸的混合物在快速加热到400-600℃时，它们之间会发生剧烈的氧化还原反应。氧化还原反应发出大量的热量，在极短的时间内能使含棉布料达到很高温度，故含棉布料会被快速炭化。这样，氧化还原反应生成的氧化铝、氧化铁或氧化亚铁就会镶嵌到布料的炭化产物中。由于在隧道窑内，可以较容易地把气氛控制为弱还原性气氛，且本发明所涉及到的这种弱还原气氛的形成既取决于燃料和空气比，还取决于布料的炭化产物。在这种弱还原性气氛下，铁在高温下就会以二价铁的形式存在，既不会被氧化为三价铁，也不会被还原为单质铁。因此，本发明能合成纯度高于95wt%的亚铁铝尖晶石。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1. 本发明所提供的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，具有工艺、设备简单，操作安全，成本低、利用隧道窑可连续化合成等优点；

2. 本发明所提供的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，无需把铁或铁的化合物埋到石墨或碳粉下，而是通过化学反应把生成的铁的化合物镶嵌到布料的碳化产物中，避免了因埋碳而造成局部的强还原气氛，从而避免了高温下二价铁被还原成单质铁。由于处于弱还原性气氛下，三价铁在高温下易被还原为二价铁。因此，本发明合成高纯度的亚铁铝尖晶石；

3. 本发明所提供的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，无需在隧道窑内注入氮气进行气氛保护；

4. 本发明所提供的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法中，可选用洗涤干净的废旧含棉布料或再生含棉布料，实现废旧布料的回收利用，具有巨大的经济前景和社会效益。

具体实施方式

实施例1

把硝酸铝、硝酸铁、尿素和甘氨酸溶解到蒸馏水中配制成溶液，控制硝酸铝、硝酸铁、尿素和甘氨酸的浓度分别1.0 mol/L、0.5 mol/L、2.5 mol/L、0.3 mol/L。将废旧含棉布料（棉含量90wt%，涤纶5 wt%，氨纶5 wt%）放入到溶液中浸泡10分钟，取出并拧出多余的水分。在50℃下干燥10小时后，把所述的浸泡、干燥后的布料置于隧道窑内，用20 ℃/min的速度加热到400 ℃，然后在弱还原气氛下（气氛中O₂体积分数0.5 %， CO的体积分数 2.0 %）加热升温到1300 ℃并保温8小时烧结；冷却后即可制备出亚铁铝尖晶石。经过XRD检测，合成产物中亚铁铝尖晶石的含量约为96 wt%。

实施例2

把硝酸铝、硝酸铁、尿素和甘氨酸溶解到蒸馏水中配制成溶液，控制硝酸铝、硝酸铁、尿素和甘氨酸的浓度分别2.0 mol/L、1.0 mol/L、5.0 mol/L、0.6 mol/L。将新的含棉布料（棉含量90wt%，羊毛10 wt%）放入到溶液中浸泡10分钟，取出并拧出多余的水分。在50℃下干燥10小时后，把所述的浸泡、干燥后的布料置于隧道窑内，用30 ℃/min的速度加热到500 ℃，然后在弱还原性气氛（气氛中O₂体积分数0.4 %， CO的体积分数 1.5 %）下加热升温到1400 ℃并保温6小时烧结；冷却后即可制备出亚铁铝尖晶石。经XRD检测，合成产物中亚铁铝尖晶石的含量约为98 wt%。

实施例3

把硝酸铝、硝酸铁、尿素和甘氨酸溶解到蒸馏水中配制成溶液，控制硝酸铝、硝酸铁、尿素和甘氨酸的浓度分别是1.5 mol/L、0.75 mol/L、3.75 mol/L、0.45 mol/L。将再生含棉布料（棉含量91 wt%，涤纶3 wt%，氨纶3 wt%，羊毛3 wt%）放入到溶液中浸泡10分钟，取出并拧出多余的水分。在50℃下干燥10小时后，把所述的浸泡、干燥后的布料置于隧道窑内，用40 ℃/min的速度加热到600 ℃，然后在弱还原性气氛（气氛中O₂体积分数0.3 %， CO的体积分数 1.0 %）下加热升温到1500 ℃并保温5小时烧结；冷却后即可制备出亚铁铝尖晶石。经XRD检测，合成产物中亚铁铝尖晶石的含量约为97 wt%。

实施例4

把硝酸铝、硝酸铁、尿素和甘氨酸溶解到蒸馏水中配制成溶液，控制硝酸铝、硝酸铁、尿素和甘氨酸的浓度分别1.0 mol/L、0.5 mol/L、0.25 mol/L、0.3 mol/L。将废旧含棉布料（棉含量95 wt%，氨纶5 wt%）放入到溶液中浸泡10分钟，取出并拧出多余的水分。在50℃下干燥10小时后，把所述的浸泡、干燥后的布料置于隧道窑内，用50 ℃/min的速度加热到400 ℃，然后在弱还原性气氛（气氛中O₂体积分数0.6 %，CO的体积分数 2.5%）下加热升温到1500 ℃并保温5小时烧结；冷却后即可制备出亚铁铝尖晶石。经XRD检测，合成产物中亚铁铝尖晶石的含量约为96 wt%。

实施例5

把硝酸铝、硝酸铁、尿素和甘氨酸溶解到蒸馏水中配制成溶液，控制硝酸铝、硝酸铁、尿素和甘氨酸的浓度分别2.0、1.0、5.0、0.6 mol/L。将废旧含棉布料（棉含量95 wt%，涤纶5 wt%）放入到溶液中浸泡10分钟，取出并拧出多余的水分。在50℃下干燥10小时后，把所述的浸泡、干燥后的布料置于隧道窑内，用50 ℃/min的速度加热到500 ℃，然后在弱还原性气氛（气氛中O₂体积分数0.5 %， CO的体积分数 2.0%）下加热升温到1500 ℃并保温5小时烧结；冷却后即可制备出亚铁铝尖晶石。经XRD检测，合成产物中亚铁铝尖晶石的含量约为97 wt%。

Claims

1.一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于采用以下步骤：（1）把硝酸铝、硝酸铁、尿素、甘氨酸溶解到蒸馏水中配制成溶液；将含棉布料浸到上述溶液中浸泡10分钟，然后取出并拧出多余的水分，并在50℃下干燥10小时；（2）把所述的浸泡、干燥后的布料放入隧道窑内，快速加热升温到400-600℃，然后在弱还原性气氛下加热升温到1300-1500 ℃并保温5-8小时。

2.如权利1所述的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于：步骤（1）所述中的溶液中，硝酸铝、硝酸铁、尿素、甘氨酸的浓度比是2：1：5：0.6，其中硝酸铝的浓度在1.0~2.0 mol/L的范围内。

3.如权利1所述的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于：步骤（1）中的含棉布料是指布料中的棉含量不低于90 wt%，其他成分为涤纶、氨纶、羊毛中的一种或几种。

4.如权利1所述的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于：步骤（1）中的含棉布料不仅包括新含棉布料，也可以包括废旧含棉布料和再生含棉布料。

5.如权利1所述的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于：步骤（2）中的快速加热升温是指升温速度为20-50 ℃/min。

6.如权利1所述的一种用含棉布料辅助合成亚铁铝尖晶石的方法，其特征在于：步骤（2）中的弱还原气氛指的是气氛中O₂的体积分数是0.3~0.6%，CO的体积分数是 1~2.5%。