硫酸法鈦白副產硫酸亞鐵全國每年產出數十萬噸,除部分被利用外,大部分堆積放置,不僅浪費資源且污染環境｡利用硫酸法鈦白副產硫酸亞鐵制備高檔納米氧化鐵,經濟效益和社會效益明顯｡

2 工藝原理及實驗

2.1硫酸亞鐵的凈化

副產硫酸亞鐵中的雜質金屬離子會使生成的氧化鐵顏料色澤不正,尤其是副產中的TiO₂,當其含量大于0.2%時,對產品的色澤有明顯的影響｡因此須對副產硫酸亞鐵凈化處理,保證產品中TiO₂含量不大于0.05%｡

將副產硫酸亞鐵配制成適當濃度(固液比1∶3)的溶液,并用硫酸將溶液調至pH0.5~1.0,加熱到70°C左右,加入適量沉淀劑A,再加入0.1%~1.0%的3#絮凝劑,攪拌后靜置,鈦絮凝成為白色絮狀雜質,過濾后得純凈的硫酸亞鐵溶液｡

2.2晶種的制備

將凈化的硫酸亞鐵溶液調制成固液比1∶7､pH2~3的溶液,加熱到40~50°C,加入相當于硫酸亞鐵重量濃度3‰的分散劑A和4%的分散劑B,攪拌均勻后加入6%的液氨,并迅速通入適量的空氣,得到FeO(OH)晶核｡

2.3鐵黃生成

將上述帶晶核的溶液加熱到50~60°C,繼續通入液氨和空氣,至硫酸亞鐵全部消耗為止,整個反應過程維持3~5h,所得透明產品經過濾洗滌,在80~90°C下干燥得納米鐵黃顏料,或在330~350°C下煅燒,得納米鐵紅顏料｡其工藝流程如圖1｡

2.4產品測試結果

產品經掃描電鏡在10萬倍下觀察并照相,其顆粒呈紡綞狀,平均粒徑長軸0.12μm,短軸0.07μm,屬納米氧化鐵｡

3 結果與討論

3.1硫酸亞鐵純度對產品色澤的影響

用不同純度的硫酸亞鐵制備氧化鐵黃,得3到的結果是:1沒有凈化的副產硫酸亞鐵所得鐵黃為暗灰黃色或褐黃色粉末,且其粒度偏大,平均粒徑為長軸0.16μm,短軸0.04μm;2凈化后的硫酸亞鐵所得的產品與商品級納米氧化鐵黃各項指標很相近｡

因此,副產硫酸亞鐵凈化是十分必要的｡

3.2分散劑及表面活性劑的影響

實驗表明,分散劑用量可在一定范圍內控制產品粒徑,其規律是:產品粒徑隨分散劑用量增加而變小;當分散劑用量低于硫酸亞鐵量的0.15%時,分散效果明顯變差,產品粒徑增大｡合適的分散劑用量范圍是硫酸亞鐵量的0.24%~1%｡分散劑和表面活性劑的復合作用,十分有利于得到所需的納米級產品｡單獨使用分散劑而不加表面活性劑,即使明顯增加分散劑用量,其產品粒徑比復合使用分散劑和表面活性劑的產品粒徑要增大2倍,得不到納米級產品｡由于納米級氧化鐵產品顆粒級細,其表面位能很高,在分散體系中熱力學上很不穩定,相互碰撞后極易凝聚成團｡通過加入分散劑和表面活性劑,可以降低產品粒子的表面位能,同時分散劑和表面活性劑選擇性吸附在產品顆粒表面,并在界面上形成雙電層,顆粒表面的新水層因相互排斥而不能凝聚,從而達到穩定分散的目的｡

3.3反應物濃度的影響

反應物濃度直接影響到所生成的產品粒度及生產成本的高低｡實驗表明:當反應物濃度過高,反應物料變得粘稠,反應生成物的不均勻性增大,從而使產品粒度分布分散,粒度一致性降低,影響生成產品質量;但是反應物濃度過低,則生產成本增大,缺乏實用價值｡

此外,液氨與硫酸亞鐵的配比還將影響到產品的色澤和粒度｡不同配比的液氨和硫酸亞鐵與粒度組成的關系見圖2｡液氨濃度過低,將延長反應時間,產品轉化率和回收率均偏低｡

1-硫酸亞鐵予凈化; 2-硫酸亞鐵未凈化;

1､3､4､5表示液氨與硫酸亞鐵重量比分別為1∶4､1∶5､1∶3.5､1∶2.5時的粒度特性

3.4溫度影響

在制備晶核過程中,反應溫度應控制在40°C左右,溫度過高和過低都將影響產品的粒度和反應速度｡在氧化過程中,反應溫度宜控制在50°C左右,溫度過高使產品粒度明顯增大,溫度偏低雖然有利于制備超細粒子,但反應時間延長｡圖3為反應溫度與產品粒度的關系圖｡

4結語

鈦白副產硫酸亞鐵通過凈化,添加不同的沉淀劑及分散劑可生產納米級高檔氧化鐵,在技術上是可行的｡初步估算,其生產成本僅為同類產品的1/4~1/3,不但有明顯的經濟效益,更重要的是為合理利用鈦白副產固廢資源尋找了一條有效的途徑｡