一种利用绿矾制备四氧化三铁的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用绿矾制备四氧化三铁的方法，该方法包括以下步骤：向绿矾溶液中加入分散剂，将碱性化合物溶液滴入绿矾溶液中，该过程控制混合溶液pH值为3.5～7.0；然后曝气2小时以上，在空气的氧化作用下亚铁被氧化为前驱体；将绿矾溶液和前驱体混合，然后加入分散剂充分混合，调节混合液pH值为5～12，50‑100℃搅拌反应2小时以上，制得四氧化三铁沉淀。本发明专利技术是在常压和体系溶液沸点以下的反应，条件温和；通过精确控制前躯体与绿矾的加料比例，来控制亚铁与三价铁比例，过程精准控制，易于工业化生产。本发明专利技术方法制得的四氧化三铁纯度高，结晶度好，饱和磁化强度高，具有超顺磁性，产品性能优。

A method of preparing Fe3O4 by using green alum

【技术实现步骤摘要】
一种利用绿矾制备四氧化三铁的方法
本专利技术属于材料化学领域，具体涉及一种利用绿矾制备四氧化三铁的方法。
技术介绍
绿矾是硫酸消化钛铁矿(FeTiO3)生产二氧化钛而产生的工业固体副产物，其主要成分是七水硫酸亚铁。随着中国二氧化钛产业的不断发展和壮大，绿矾的年产生量约为700万吨，并且这一数量还在逐年增加。大部分绿矾被当做废品处理，或长期露天堆置，不仅对环境造成严重威胁，还造成资源极大的浪费。因此，寻找一条行之有效的资源化利用途径，已成为该行业关注的焦点问题。四氧化三铁因具有无毒、遮盖力强、性能稳定和超顺磁性等优点，在涂料、油墨、复印粉、陶瓷、水泥、建材、食品、医药等领域具有广泛应用。现有的四氧化三铁的制备方法包括共沉淀法、溶胶-凝胶法、气相火焰法、电化学法、微波和超声辅助合成方法。现有技术有一些利用绿矾制备四氧化三铁的报道。中国授权专利技术专利CN100503743C公开了用钛白废渣绿矾生产氧化铁黑颜料的方法，该方法向绿矾溶液中加入碳酸钙粉末，调节pH值3-5，保温不少于30分钟，制得硫酸亚铁溶液；用烧碱或液氨中和硫酸亚铁溶液至pH值为7-10；再用空气氧化得到氧化铁黑料浆。中国专利申请CN105366729A公开了一种石灰为中和剂绿矾制备四氧化三铁的方法，该方法是在装有圆形磁环的搅拌器中，将绿矾溶液加热至60～90℃，通入空气或氧气，加入石灰乳，控制溶液pH值为8-10，反应2-6h后，在磁环上生成四氧化三铁。上述两份专利，分别首先加入了碳酸钙和石灰乳，用于调整溶液的pH值，并先得到Fe(OH)2，然后通入空气将一部分Fe(OH)2氧化为Fe(OH)3，预留一部分Fe(OH)2不被氧化。通过这样方式做出来二价铁源和三价铁源，然后制备出Fe3O4。但是上述做法无法准确控制原料中二价铁和三价铁的精确比例，因为，一是通入空气需要多长时间不好控制和没有定量的客观判据，二是空气中的氧气究竟有多少量参与了氧化亚铁的反应，更是无法定量控制。因此，上述方法的反应过程存在随机性和不确定性。这就导致无论是通空气时间过量或者不足，都会导致产品纯度不高，即所得产品中二价铁和三价铁比例不当，无法满足四氧化三铁产品中必须是FeO:Fe2O3＝1:1的要求，最终难以得到具有优良性能和较高品质的四氧化三铁产品。另外，上述两份专利中分别加入了碳酸钙和石灰乳，这二种物质均可与绿矾反应得到了硫酸钙沉淀。硫酸钙沉淀的存在，大大降低了所得铁黑产品的纯度，并显著影响铁黑的理化性能。上述两份专利制备四氧化三铁的原理如下：Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3Fe(OH)2+2Fe(OH)3→Fe3O4↓+4H2O
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种物料成本低、过程易控制、产品纯度高、性能优及易大规模化生产的四氧化三铁制备方法。本专利技术仅以工业副产物绿矾为铁源，利用先进的前驱体法制得四氧化三铁，具有良好的经济效益和环境效益；制得四氧化三铁结纯度高晶度好，纯度高，比表面积大，饱和磁化强度高，具有超顺磁性，所得产品具有较好的应用前景和竞争力。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种制备四氧化三铁的方法，包括以下步骤：(1)向绿矾溶液中加入分散剂，将碱性化合物溶液滴入绿矾溶液中，该过程控制混合溶液pH值为3.5～7.0；然后曝气2小时以上，在空气的氧化作用下亚铁被氧化为前驱体；本专利技术所述的分散剂为聚乙烯吡咯啉酮、聚丙烯酸钠或聚乙二醇中的一种以上；步骤(1)所述的碱性化合物是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾或氨水中的一种以上；优选地，本专利技术所述的绿矾溶液浓度为0.5～5mol/L，碱性化合物溶液浓度为0.5～5mol/L。步骤(1)中，所述绿矾与碱性化合物的摩尔比为1:3～3:1，优选1:2；优选地，步骤(1)所述的pH值为4～5；在pH值3.5-7.0也是可以制备FeOOH的，但在pH值4～5时制得的FeOOH其黄色更亮眼；步骤(1)发生如下反应：4Fe2++O2+8OH-→4FeOOH+2H2O(2)将绿矾溶液和前驱体混合，然后加入分散剂充分混合，调节混合液pH值为5～12，50-100℃搅拌反应2小时以上，制得四氧化三铁沉淀；将四氧化三铁过滤，用蒸馏水洗涤若干次后烘干(100℃)，然后粉碎和研磨，制得超细四氧化三铁粉末；优选地，步骤(1)和(2)中，分散剂的用量占所在步骤反应体系总体积的1-2％；优选地，步骤(2)所述的绿矾与前驱体摩尔比为1:3～3:1，其本质是使前驱体与亚铁的摩尔比为2:1；步骤(2)所述的pH值优选8～11。步骤(2)发生如下反应：2FeOOH+Fe2++2OH-→Fe3O4↓+2H2O本专利技术区别于现有技术的地方在于，先行曝气用空气将Fe(OH)2氧化为FeOOH(前驱体)，即先将二价铁源氧化为三价铁源，然后再取一定比例的二价铁源和三价铁源混合后，在上述条件下制备Fe3O4。这样做的好处是很容易根据需要控制体系中二价铁和三价铁的比例，容易调整原料比例，控制反应过程，进而制备产品纯度高、性能优良。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)本专利技术方法是在常压和体系溶液沸点以下的反应，反应条件温和；通过精确控制前躯体与绿矾的加料比例，来控制亚铁与三价铁比例，过程易于精准控制，易于工业化生产、所得产品纯度高、理化性能优越、市场竞争力强。(2)本专利技术方法仅以绿矾为铁源，制备四氧化三铁，具有良好的经济效益和环境效益。(3)本专利技术方法制得的四氧化三铁纯度高，结晶度好，分散性良好，饱和磁化强度高，具有超顺磁性，产品性能优。(4)本专利技术中，加入分散剂的有益效果是防止四氧化三铁团聚，使得产品的分散性良好。具体的机理为，分散剂作为高分子聚合物，长的碳链伸向四周，形成立体屏障，能在水介质中产生的空间位阻效应，起到稳定作用，限制了晶粒的成核和生长，降低四氧化三铁颗粒表面能，防止团聚。附图说明图1为实施例1前驱体XRD图。图2为实施例2样品XRD图。图3为实施例3样品VSM图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1一种制备四氧化三铁的方法，包括以下步骤：(1)配制2mol/L绿矾溶液和4mol/L氢氧化钠溶液。(2)向200mL绿矾溶液中加入5mL聚乙烯吡咯啉酮，取200mL的氢氧化钠溶液缓慢滴入到200mL的绿矾溶液中，边滴边曝气，同时控制体系pH值为4，曝气时间为4小时。制得前驱体。前驱体XRD图如图1所示，说明所制得前驱体为FeOOH。(3)将含有0.1mol绿矾的溶液和0.2mol前躯体混合，加入5mL聚乙二醇200充分混合，调节混合液pH值为8，将混合液置于磁力搅拌器中，设置反应温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备四氧化三铁的方法，其特征在于包括以下步骤：/n(1)向绿矾溶液中加入分散剂，将碱性化合物溶液滴入绿矾溶液中，该过程控制混合溶液pH值为3.5～7.0；然后曝气2小时以上，在空气的氧化作用下亚铁被氧化为前驱体；/n步骤(1)中，所述绿矾与碱性化合物的摩尔比为1:3～3:1；/n(2)将绿矾溶液和前驱体混合，然后加入分散剂充分混合，调节混合液pH值为5～12，50-100℃搅拌反应2小时以上，制得四氧化三铁沉淀；/n步骤(2)所述的绿矾与前驱体摩尔比为1:3～3:1。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备四氧化三铁的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)向绿矾溶液中加入分散剂，将碱性化合物溶液滴入绿矾溶液中，该过程控制混合溶液pH值为3.5～7.0；然后曝气2小时以上，在空气的氧化作用下亚铁被氧化为前驱体；
步骤(1)中，所述绿矾与碱性化合物的摩尔比为1:3～3:1；
(2)将绿矾溶液和前驱体混合，然后加入分散剂充分混合，调节混合液pH值为5～12，50-100℃搅拌反应2小时以上，制得四氧化三铁沉淀；
步骤(2)所述的绿矾与前驱体摩尔比为1:3～3:1。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述绿矾与碱性化合物的摩尔比为1:2。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述的pH值为4～5。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的pH值为8～11。

【专利技术属性】
技术研发人员：李明玉，计宏益，李宵萌，
申请(专利权)人：暨南大学，广州绿华环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44