δ-FeOOH为晶种制备超细α-Fe2O3及机理研究

论文摘要

α-Fe2O3是一种重要的无机金属材料,由于其具有较高的化学和物理稳定性,催化活性高,良好的耐光性、耐候性、对紫外线的屏蔽性、高遮盖力和无毒性等性能,在生物医学工程、催化、精细陶瓷、塑料制品、涂料、磁性材料、电子等领域有广泛应用和开发前景。目前工业上生产颜料级α-Fe2O3的方法主要为硝酸法、混酸法,但制备过程中会产生NOx污染大气和大量氨氮超标的废水。为此,研究获得颜色性能良好、且成本低廉又无污染的氧化铁红生产方法,具有重要意义。本论文以硫酸亚铁为原料,双氧水为氧化剂,首先制备出纯相δ-FeOOH,以δ-FeOOH为晶种采用了两种方法制备超细α-Fe2O3。采用多种测试手段对产物进行了表征,探讨了制备条件对反应产物的影响,并且对不同方法制备的α-Fe2O3进行了性能测定。研究的主要内容及结果包括：（1）以硫酸亚铁为原料,NaOH为沉淀剂,双氧水为氧化剂制备δ-FeOOH,并研究了各因素对反应产物的影响。结果表明：在pH=8.6、C FeSO4≤0.9 mol/L、H2O2质量分数不小于20%、搅拌速度为500r/min的条件下可制备出纯相δ-FeOOH。（2）以δ-FeOOH为晶种采用两种方法制备超细α-Fe2O3。首先以δ-FeOOH为晶种,经催化相转化得到α-Fe2O3晶核,二步氧化得到粒径均匀的球形α-Fe2O3粒子,但产物颜色比硝酸晶种法暗淡。其次以δ-FeOOH为晶种直接空气氧化得到晶化非常完整的准立方形α-Fe2O3粒子,粒径约为90～100nm,产物颜色比硝酸法产物更鲜艳亮丽。（3）详细研究了以δ-FeOOH为晶种经过晶种转化和二步氧化制备α-Fe2O3的过程,确定了反应的最佳条件：调节δ-FeOOH晶种使其pH=9,β=0.05,加水稀释为700ml,沸腾搅拌反应半小时。晶种浓度为0.04 mol/L,空气流量为100L/h,恒温90℃以上空气氧化10h。90℃时产物粒径约60nm,100℃产物粒径约90nm。（4）研究了δ-FeOOH晶种法的反应机理,发现在弱碱性条件下,Fe2+催化δ-FeOOH晶种相转化为α-Fe2O3晶核,由于该反应为脱质子过程,铁皮不断溶解生成Fe2+,空气氧化Fe2+生成α-FeOOH, a-FeOOH经溶解再结晶生成α-Fe2O3生长在晶核上。二步氧化过程中释放出H+,继续溶解铁皮,使反应循环进行。（5）研究表明以δ-FeOOH为晶种制备纯相超细α-Fe2O3是可行的,产物符合颜料级铁红国家标准,该工艺生产成本较低,反应过程无环境污染,完全可以取代硝酸晶种法进行工业化生产。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 引言

2O₃的结构及制备研究进展'>1.2 α-Fe₂O₃的结构及制备研究进展

2O₃的结构'>1.2.1 α-Fe₂O₃的结构

2O₃的制备研究进展'>1.2.2 α-Fe₂O₃的制备研究进展

1.3 选题意义

1.4 论文研究内容

第二章 δ-FeOOH晶种的制备

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 主要仪器和试剂

2.2.2 溶液的配制及标定

2.2.2.1 溶液的制备

2+溶液的标定'>2.2.2.2 Fe²⁺溶液的标定

2.2.3 制备过程

2.2.4 主要表征手段

2.3 结果与讨论

2.3.1 氧化剂的选择

2.3.2 起始反应物的浓度对物相的影响

2.3.3 双氧水浓度对产物的影响

2.3.4 双氧水加入量对产物的影响

2.3.5 初始pH值的影响

2.3.5.1 初始pH对产物物相的影响

2.3.5.2 反应过程中pH变化

2.3.6 搅拌速度对产物物相的影响

2.4 小结

第三章 δ-FeOOH晶种催化相转化研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 主要仪器和试剂

3.2.2 实验过程

3.3 结果与讨论

3.3.1 δ-FeOOH晶种转化条件的选择

3.3.1.1 反应初始pH对δ-FeOOH相转化的影响

3.3.1.2 β值对δ-FeOOH相转化的影响

3.3.1.3 度对δ-FeOOH相转化的影响

3.3.2 二步氧化条件的选择

2O₃生成的影响'>3.3.2.1 晶种浓度对α-Fe₂O₃生成的影响

3.3.2.2 二步氧化温度对产物的影响

3.3.2.3 空气流量对产物的影响

3.4 小结

第四章制备方法的改进

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验仪器试剂

4.2.2 实验过程

4.3 结果与讨论

4.3.1 硝酸钠加入量对产物的影响

4.3.2 氧化时间对直接氧化法产物的影响

4.3.3 δ-FeOOH晶种法反应机理讨论

4.4 小结

第五章产物的性能测定

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 主要仪器和试剂

5.2.2 实验过程

5.2.2.1 催化活性实验

5.2.2.2 产品颜料性能测定

5.3 结果讨论

5.3.1 产物的催化活性

5.3.2 产品颜料性能测定

5.3.3 成本核算

5.4 小结

第六章结论

6.1 本文主要结论

6.2 创新点

6.3 尚待解决的问题

参考文献

致谢

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