1309-37-1 / 三氧化二鐵的合成方法

概述

Fe2O3是一種重要的n型半導體（Eg＝2.1eV），具有無毒、價廉和穩定等特性，被廣泛應用于催化劑、傳感器等。高純度的三氧化二鐵用于電子元件和磁記錄材料, 目前國內高純三氧化二鐵的產量較小，質量較差，主要依賴進口。

合成^{【1】【2】【3】}

1. 由廢鐵渣制備三氧化二鐵

以廢鐵渣為主要原料與工業硫酸反應制備三氧化二鐵, 產生的廢液加氧化鈣生成副產物硫酸鈣。廢鐵渣是由鋼管廠在生產過程中，由于沖洗、切割、拉伸過程中產生的廢料，每年產生約上百噸，放在工廠占面積，刮風下雨污染環境。用酸溶解廢鐵渣，治理環境污染，廢物利用，制備有用的化工產品，為現實生產服務。

基本原理：

廢鐵渣的主要成分為四氧化三鐵，它與一定濃度的硫酸在攪拌、加熱至沸的條件下發生反應，生成硫酸亞鐵及硫酸鐵。反應式為:

將所得產物烘干, 灼燒, 可制得三氧化二鐵。

制備步驟：

(1)稱取經粉碎過20 目篩子的廢鐵粉20g(稱準至0 .0001g)及0 .1 %的促溶劑于帶攪拌裝置的三口燒瓶中, 加8 ～ 9mol L 工業硫酸300 ～ 350mL , 安裝回流裝置、溫度計。邊攪拌、邊加熱, 至沸。保溫反應2 ～ 3h后, 用傾析法趁熱過濾, 少量殘渣可做水泥添加劑或肥料添加劑。濾液陳化放置過夜。

(2)將陳化好的沉淀和母液倒入過濾漏斗, 減壓抽濾, 濾液處理。沉淀用異丙醇抽濾洗滌2 ～ 3 次,濾液蒸餾回收異丙醇。沉淀用真空干燥箱烘干(或自然風干), 稱重后, 再放入高溫爐中灼燒, 即得產品三氧化二鐵。

(3)將上述所得的濾液, 加入堿石灰中和, 減壓過濾, 所得的沉淀為CaSO4 , 經烘干后可供廠家使用, 所產生的濾液調到pH 6 ～ 8 排放。

工藝流程圖：

此制備工藝的開發, 解決了工廠的占地面積、廢物對環境的污染, 解決了廢鐵渣不好處理的問題。采用加中和劑中和, 排放的濾液無毒無害, 沒有給環境帶來污染, 附和環保日益苛刻的要求。

2. 三氧化二鐵的制備方法主要有干法和濕法二種。

工藝流程如下:

干法:原料→直接灼燒→Fe2O3

濕法:原料→溶解、凈化→過濾→中和、氧化→濾洗→烘干、灼燒→Fe2O3

干法的生產方法簡單, 但產品純度不高, 且堅硬難粉碎;濕法工藝比較復雜, 但產品純度高, 疏松易磨, 色澤好。故選用濕法制備三氧化二鐵, 通過對濕法工藝條件的摸索, 制得了純度達99 .8 %以上的三氧化二鐵。

實驗原理：

2 .1 凈化原理

利用化學共沉淀原理, 加氨水的同時, 通空氣氧化使其產生微量的FeO(OH)沉淀, 除去亞鐵鹽溶液中的可溶性鈦, 錳等雜質。

2 .2 中和、氧化原理：

制備方法：

凈化：

將亞鐵鹽溶液在一定溫度下邊攪拌邊加入25 %的氨水調節亞鐵鹽溶液的pH 值至4.0 ～6 .5 , 同時通入一定流量的壓縮空氣, 將溶液氧化,冷卻, 靜置24h , 抽取上面清液, 用抽濾法去除底部渾濁殘渣, 則凈化完成。

中和、氧化：

取上面濾液, 加熱至30 ～ 60 ℃, 在不斷攪拌下用飽和NH4HCO3 緩慢中和至一定pH 值, 繼續攪拌中和后的溶液1h , 迅速升溫至80 ～ 90 ℃,以一定流量的壓縮空氣通20 ～ 60min , 冷卻、過濾。

洗滌：

用去離子水多次洗滌沉淀物, 直至無SO2^_ 為止, 用BaCl₂ 檢測。

烘干、灼燒：

將上述沉淀轉入不銹鋼盤中, 在烘箱中110 ～ 120 ℃烘2 ～ 3h 后, 放入馬弗爐一定時間,冷卻、粉碎。

濕法合成高純Fe2O3 的最佳條件:

凈化:溫度60℃ , pH 值5 .4 , 通氣時間30min 。

中和、氧化:中和溫度50 ℃, pH6 .5 , 通氣時間40min 。

灼燒:溫度700 ℃, 時間3min 。

按以上最佳條件制備出的Fe2O3 的純度達99 .80 %以上, 顏色為紅棕色。

3. 生物模板法制備微納米三氧化二鐵

以FeCl3為起始原料，采用不同的生物模板（定量濾紙、雞蛋內膜），通過浸漬和煅燒，成功地制備出具有生物形態的微納米Fｅ2O3。

先用電子分析天平準確稱取一定量的FeCl3于燒杯中，用去離子水使其溶解配制成相應濃度的FeCl3溶液。然后，將定量濾紙浸入上述溶液中浸泡２ｈ，再取出后于９０℃下烘干。最后，將烘干的濾紙放入馬弗爐中，在相應的溫度下恒溫煅燒２ｈ，取出樣品，自然冷卻，即得微納米結構Fe2O3產品。調整煅燒溫度、FeCl3的濃度以及不同的生物模板（雞蛋內膜）即可得不同條件下的Fe2O3產品。

合成機理的探討：

生物模板法制備微納米材料主要是根據物理浸漬和高溫煅燒建立起來的一種新方法，同時也是在某些無機金屬元素與天然生物模板具有很好的相容性的前提下采用的一種實驗室制備方法，具有一定的理論基礎。定量濾紙纖維表面存在大量的羥基，能夠為金屬氧化物沉淀提供一個合適的基體。對于文中濾紙作模板制備微納米Fe2O3晶體的機理，我們推測，合成機理包括以下三步：

（１）溶液中的Ｆｅ３＋通過吸附作用被吸附到濾紙纖維表面。

（２）在干燥過程中，隨著溫度的升高，Ｆｅ^３＋ 水解形成氫氧化鐵。

（３）樣品經過高溫煅燒，氫氧化鐵分解變成氧化鐵，同時濾紙模板經過氧化被除去，最終得到具有濾紙模板形貌的微納米氧化鐵產品。

以雞蛋內膜為模板制備微納米FFe2O3的機理與之相似。眾所周知，雞蛋內膜中含有90％左右的蛋白質，主要成分是膠原蛋白、卵清蛋白，蛋白質通過肽鍵結合形成了長度在幾十至幾百微米、直徑為1～2μｍ 的多肽長鏈，肽鏈上存在大量可以與金屬離子結合的位點，具有天然的礦化功能，當雞蛋內膜浸入FeCl3，Ｆｅ^３＋ 與蛋白質的羧基負離子結合形成復合物，經過高溫處理最終生成具有雞蛋內膜形貌的微納米Fe2O3。

參考文獻

[1] 劉亞芬，由廢鐵渣制備三氧化二鐵，實驗室研究與探索，2005.01，第34頁

[2] 金建忠，高純三氧化二鐵的研制，浙江化工，1999.01，第41頁

[3] 黃保軍，何琴，郭少凡，法文君，鄭直，生物模板法制備微納米三氧化二鐵，化學世界，2012.03，第134頁