CN105692715B - 一种电磁波辅助制备四氧化三铁的方法及所使用的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电磁波辅助制备四氧化三铁的方法及所使用的装置,该方法包括将pH值调整至7以上的二价铁离子溶液,并保持温度在80℃以上的步骤和向二价铁离子溶液通入有氧气体,馈入频率为50Hz~100MHz的电磁波,以及抽滤,清洗,干燥后得到四氧化三铁的步骤。该装置可自动生产四氧化三铁。该方法使二价铁离子溶液在特定的碱性环境下与氧气在电磁波的辅助下生成四氧化三铁,不仅原料品种少,而且工艺简单,适合于工业上大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及四氧化三铁制备领域,特别涉及一种电磁波辅助制备四氧化三铁的方法及所使用的装置。
背景技术
目前,有用微波加热制备四氧化三铁的方法,所用原料除亚铁盐、铁盐外,还包括多元醇、无机盐和表面活性剂以及加入助溶剂,使用原料较多,工艺较复杂,且不易于大规模生产;杨喜云等在《空气氧化制备四氧化铁》一文中指出常规的氧化共沉淀法生成四氧化三铁需要290~400分钟,刘俊等在《沉淀氧化法制备Fe3O4磁流体》中指出制备四氧化三铁需要5.5小时。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足。提供一种用电磁波辅助制备四氧化三铁的新方法并能够大规模生产纳米四氧化三铁的装置。该方法以二价铁离子为原料,在通入有氧气体的条件下进行电磁波辐照,生成四氧化三铁。具有原料种类少,成本低,生产周期短,节约能源等优点。该装置能够根据要求生产四氧化三铁,生成过程全自动化。
本发明所采用的技术方案是:一种电磁波辅助制备四氧化三铁的方法,包括以下步骤:
步骤1、将二价铁离子溶液的pH值调整至7以上并保持在80℃以上;
步骤2、向二价铁离子溶液通入有氧气体,馈入频率为50Hz—100MHz的电磁波;
步骤3、抽滤、清洗、干燥后得到纯净的四氧化三铁。
上述的二价铁离子溶液为可在水中提供二价铁离子的物质的溶液。二价铁离子溶液(下面简称为溶液)为硫酸亚铁水溶液、氯化亚铁水溶液或氢氧化亚铁溶液等。
本发明还提供一种电磁波辅助制备四氧化三铁所使用的装置,包括盛放反应物的容器,所述的容器上设置有液体物料入口、固体物料入口和出料口,在所述的容器内设置有搅拌装置、液位传感器、将含氧气体通入溶液的通气装置、将电磁波馈入溶液中的电磁波馈入装置、温度传感器、pH值测量装置,对容器内溶液加热的加热装置,实时控制装置,所述的液位传感器、温度传感器和pH值测量装置的输出端与所述的实时控制装置相连,所述的实时控制装置产生控制信号分别控制所述的液体物料入口、固体物料入口、出料口、加热装置、搅拌装置的搅拌电机、电磁波馈入装置和通气装置。
该装置是一种由实时控制装置自动控制生产四氧化三铁的装置,利用这样的装置可以自动生成四氧化三铁,该装置操作简单。该方法使溶液在特定的碱性环境下与氧气在电磁波的辅助下生成四氧化三铁,原料种类少,工艺简单,适合于大规模工业生产。
以下将结合附图和实例,对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
图1是本发明实施例1的装置结构图。
图2是本发明实施例1的装置控制框图。
图3是本发明实施例1的线圈式辐射装置俯视图。
图4是本发明实施例1的平板式电磁辐射装置俯视图。
图5是本发明实施例3制得的四氧化三铁的XRD检测图。
图6是本发明实施例2制得的四氧化三铁的XRD检测图。
具体实施方式
实施例1:图1为一种电磁波辅助制备四氧化三铁的装置示意图。该装置包括盛放亚铁离子溶液的容器1,可以是不同的材料,但不可与反应物反应,外有保温层。液体物料入口2、固体物料入口3、搅拌装置4、液位传感器5、出料口6、通气装置7、电磁波馈入装置8、温度传感器9、pH值测量装置10和清洗装置12、加热装置14。将它们与实时控制装置13相连。还配有出气口兼观察取样口11。实时控制装置14可以采用一台智能终端,它能够通过接口采集温度传感器9、液位传感器5和pH值测量装置10检测到的溶液的温度、液位高度和PH值,根据这些检测结果控制液体物料入口2、固体物料入口3、出料口6、搅拌装置4、清洗装置12、通气装置7、电磁波馈入装置8和加热装置14工作,如检测到容器1内溶液液位偏低,则控制液体物料入口2向内添加调制好的溶液,或者控制从液体物料入口2加入水,从固体物料入口3加入适量亚铁盐,为了使亚铁盐充分溶解,控制搅拌装置4马达工作,搅拌使亚铁盐充分溶解。如检测到PH值小于7,则控制从液体物料入口3加入碱溶液或者从固体物料入口3加入适量的碱等,总之实时控制装置14作为一台智能终端,可以完成这些简单的控制的,无需要人工干预。
图2为本实施例的自动生产四氧化三铁制备装置的控制框图。全部生产过程如下:首先在实施控制装置中设定反应温度范围、反应时间、注水量、pH值范围、冲洗时间,搅拌时间与方式、物料投放量、清洗时间与方式等参数;当反应物从固态物料口进入反应容器后,实时控制装置控制液态物料口向反应容器内注水或溶液;液位传感器的输出接实时控制装置,实时控制装置根据液位传感器的输出结果控制液体物料入口加入所需物质并保持液面高度不至于过高或过低。加热装置(如通过通气装置通入高温蒸汽或者电阻丝加热)加热反应容器内的溶液,当温度达到设定最大值时(如85℃)关闭加热装置。当温度低于设定的最小值时(如80℃),使加热装置工作。温度传感器实时监测温度变化,控制加热装置开关。搅拌装置按设定开始工作。pH值测量装置检测反应容器内的pH值,并将检测信号传递给实时控制装置,根据pH值实时控制装置控制加入碱性物质,保持pH值在设定的范围内(当pH值低于设定的最小值时(如8),控制物料入口加碱,当pH值达到设定值最大时(如12),停止加碱)。需要通入的气体可与高温蒸汽混合后一同由通气装置通入反应容器,由于容器中的空气压力增加,则需要从出气口出气,因此出气口可带有冷凝装置,减少水分损失。同时电磁波馈入装置向溶液中馈入设定频率的电磁波,频率范围为50Hz~100MHz。反应结束后,电磁波馈入装置、通气装置、搅拌装置、pH值测量装置、温度传感器、液位传感器、加热装置停止工作。自动打开出料口,释放容器内物质;清洗装置(如高压水喷淋装置)工作,清洗粘附在容器上的物质。整个过程由实时控制装置来控制完成。对反应结束后的溶液进行过滤后可再次成为液态物料。反应过程中可随时从出气口取样,监测反应进程。
图3为线圈式电磁辐射装置的俯视图。图中大圆表示反应容器,小圆表示辐射装置——金属线圈。在金属线圈上有绝缘材料,以保证线圈不会发生漏电现象,保证工作人员的安全。线圈可以是单匝或多匝,可根据实际情况选择使用一个或多个线圈,线圈可在反应容器内部或外部。线圈的谐振频率可根据与其串联或并联的电容来调整,为更改电容方便,将电容放置在反应容器外,电容可以使用电解电容、陶瓷电容、贴片电容。
图4为平板式电磁辐射装置俯视图。图中多边形为金属板的俯视图。当相对的两块金属板与电感相连后,对两块金属板施加交变信号,板间就会产生交变的电场。其谐振频率可根据与金属板串联或并联的电感来调整,同样电感置于反应容器外。金属板的数量视实际情况而定。若使用多对金属板,可以使用同一信号源进行并联工作,也可使用多个信号源。
两种方法的电磁波产生装置均只需提供所需频率的信号,电磁波产生装置的设计为电流与电压可控型,低电压工作,以确保生产过程安全。无论是线圈式还是平板式,利用的都是LC谐振来产生所需频率的电磁场。相比较使用微波的方法,使匹配、辐射器设计、微波传输以及产生方法等问题上采用了简单的解决方案,从而降低了电路的制作难度;辐射器仅为金属线圈或金属板,相比较波导与微波辐射器制作成本低,且制作简单。
本发明具有以下有益效果:
1、溶液中电磁波功率密度可调,工作频率范围广,安全性高。
2、生产周期短,生产成本低。
3、设备简单,容易操作。具有实时控制装置,自动完成整个生产过程
3、按最佳投料方式运行,减少物料消耗,降低人力和时间成本。
4、整体设备制造成本低。
5、反应后剩余物质可回收利用。
实施例2:该实施例通过实验获得四氧化三铁。
本实施例以7H2O·FeSO4粉末和NaOH颗粒为反应物料,以自来水为反应介质,7H2O·FeSO4粉末2.8g、NaOH颗粒1.2g、自来水80mL。
工艺步骤依次如下:
(1)取NaOH 1.2g溶于85℃40mL水中,7H2O·FeSO4 2.8g溶于85℃40mL水中。此时二价铁离子浓度为0.13mol/L。
(2)将两溶液同时倒入100mL的烧杯后放入水浴锅中保温(85℃)并加以电磁辐射。此烧杯上绕有多匝线圈,通过调整并联电容,使工作频率谐振在3.15MHz。
(3)电磁波产生装置提供频率为3.15MHz,功率为90mW的连续正弦波,通过同轴电缆接入线圈。空气通过气泵由玻璃管通入烧杯底部,使气体与溶液充分接触。
(4)50分钟后可见烧瓶内沉淀全部变为黑色。
(5)先用磁铁初步检测产物,可被磁铁吸引。
(6)将溶液倒入布氏漏斗进行抽滤。
(7)清水清洗,直到pH值为7时结束抽滤。
(8)60℃烘箱干燥4小时。
(9)XRD检测,表明产物为纯净四氧化三铁,如图6所示。
实施例3:该实施例通过实验获得四氧化三铁。
本实施例以7H2O·FeSO4粉末和NaOH颗粒为反应物料,以自来水为反应介质,7H2O·FeSO4粉末2.8g、NaOH颗粒1.2g、自来水80mL。
工艺步骤依次如下:
(1)取NaOH 1.2g溶于85℃40mL水中,7H2O·FeSO4 2.8g溶于85℃40mL的水中。此时二价铁离子浓度为0.13mol/L。。
(2)将两溶液同时倒入1L的四颈烧瓶中,将此烧瓶放入电热套中保持85℃。
(3)将空气通过气泵由玻璃管通入四颈烧瓶底部,使气体与溶液充分接触。
(4)实验300分钟后可见烧瓶内沉淀全部变为黑色。
(5)先用磁铁初步检测产物,可被磁铁吸引。
(6)将溶液倒入布氏漏斗进行抽滤。
(7)清水清洗,直到pH值为7时结束抽滤。
(8)60℃烘箱干燥4小时。
(9)XRD检测,表明产物为纯净四氧化三铁,如图5所示。
其他实施例:改变输入电磁波频率的实验实例由下表给出。反应时间为烧瓶内沉淀全部变为黑色的时间。其他实验条件与步骤均与上述实施例2相同。
从上述实施例可以看出:在一定的酸碱碱性环境下,反应溶液可以与空气中的氧气在80~90℃的情况下反应生成四氧化三铁,当50Hz~100MHz的电磁波辅助化学反应时,反应时间将会大大缩短,从文献给出的290分钟以上与5.5小时以及实施例3中的300分钟变为少于90分钟。
Claims (1)
1.一种电磁波辅助制备四氧化三铁所使用的装置,其特征在于:包括盛放反应物的容器(1),所述的容器(1)的材料不可与反应物发生反应,容器(1)上设置有液体物料入口(2)、固体物料入口(3)和出料口(6),在所述的容器内设置有搅拌装置(4)、液位传感器(5)、将含氧气体通入溶液的通气装置(7)、将频率为50Hz~100MHz的电磁波馈入溶液中的电磁波馈入装置(8)、温度传感器(9)、pH值测量装置(10),对容器(1)内溶液加热的加热装置(14),实时控制装置(13),所述的液位传感器(5)、温度传感器(9)和pH值测量装置(10)的输出端与所述的实时控制装置(13)相连,所述的实时控制装置(13)产生控制信号分别控制所述的液体物料入口(2)、固体物料入口(3)、出料口(6)、加热装置(14)、搅拌装置(4)的搅拌电机、电磁波馈入装置(8)和通气装置(7),所述的电磁波馈入装置(8)使用平行板式电磁辐射装置或线圈式电磁辐射装置。
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