利用工业废铁泥制备α－FeOOH

张丽清，刘新锋，王雅静，姚淑华，庞常健，赵玲燕

(1.沈阳化工大学 应用化学学院，辽宁 沈阳 110142;

2.沈阳化工大学 辽宁省稀土化学与应用重点实验室，辽宁 沈阳 110142)

综合利用

利用工业废铁泥制备α－FeOOH

张丽清1，2，刘新锋1，2，王雅静1，姚淑华1，庞常健1，赵玲燕1

(1.沈阳化工大学 应用化学学院，辽宁 沈阳 110142;

2.沈阳化工大学 辽宁省稀土化学与应用重点实验室，辽宁 沈阳 110142)

以工业废铁泥为原料，经酸浸、还原、空气氧化、过滤等步骤制备α－FeOOH。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、孔隙比表面分析仪对产品进行了分析表征。实验结果表明，在以十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂、n(NaOH)∶n(FeSO4)为5.0的条件下，处理1 kg废铁泥可得到α－FeOOH 824.4 g。

铁泥;α－羟基氧化铁;空气氧化法;综合利用

环境问题是当今世界共同关注的问题，而化工领域的环境污染尤为严重。为了保护生态环境、维护人类自身健康，必须积极防治环境污染。另外，在当今一次资源日益紧缺的情况下，合理地回收利用二次资源显得尤为重要。近年来，废弃物的综合利用成为研究热点［1－6］。

许多制药厂、化工厂在生产含氨基化合物时需要以铁粉作为还原剂还原硝基，在生产过程中产生大量含有机物的铁泥，直接排放将严重污染环境［7］。目前国内的铁泥大都采用堆存、土地掩埋或送钢铁厂回收等方法进行处理［7－8］。近年来利用铁泥开发高附加值产品引起了人们的高度关注［9－12］。α－FeOOH是一种高附加值的无机精细化工产品，在高档涂料、油墨、塑料、食品、化妆品和医药等领域有着广泛的应用［13－14］。关于α－FeOOH的制备及影响因素已有文献报道［15－16］，然而以铁泥为原料制备α－FeOOH尚未见报道。

本工作以铁泥为原料，通过酸浸、还原、空气氧化、过滤等工艺，制备出了α－FeOOH产品。主要考察了n(NaOH)∶n(FeSO4)和表面活性剂对α－FeOOH产品质量的影响。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

浓硫酸:98%，化学纯;NaOH、无水乙醇、BaCl2:分析纯。

实验用工业废铁泥的主要化学组成为w(Fe2O3)73.88%，w(FeO)5.98%，w(Fe)1.07%，w(SiO2)8.20%，w(其他)10.87%。

HH型电子恒温水浴锅:山东鄄城科教仪器厂;PHS－25型精密pH计:上海精密科学仪器有限公司;JJ－1型精密增力电动搅拌器:常州国华仪器有限公司;DZF－6050型真空干燥箱:郑州南北仪器设备有限公司;Bruker D8型X射线衍射(XRD)仪:德国布鲁克公司;JSM－6360LV型扫描电子显微镜(SEM):日本JEOL电子公司;Builder SSA－4300型孔隙比表面分析仪:北京彼奥德电子技术公司。

1.2 工艺流程

利用铁泥制备α－FeOOH的工艺流程见图1。

图1 利用铁泥制备α－FeOOH的工艺流程

1.3 实验方法

1.3.1 由铁泥制备FeSO4

取5 g铁泥放入200 mL烧杯中，用少许蒸馏水润湿。量取5 mL浓硫酸加入到15 mL蒸馏水中，混合均匀后加入到铁泥中，于80oC水浴中搅拌30 min后过滤。向滤液中加入过量铁屑，进行还原。调节滤液pH，按照V(乙醇)∶V(滤液)=1.5加入乙醇，使溶液变为水－乙醇相，从而使FeSO4结晶析出。

1.3.2 α －FeOOH 的制备

称取一定量铁泥制备的FeSO4和NaOH分别溶于蒸馏水中，完全溶解后将两者混合。加入适量表面活性剂，然后在30oC水浴中以600 r/min的转速搅拌4 h，经初步空气氧化后溶液变稠。再加入一定量蒸馏水，以800 r/min的转速继续搅拌7 h。将产物离心分离，滤渣用蒸馏水反复洗涤，加入少量BaCl2以去除固体中残留的SO2－4。将固体放入真空干燥箱中于70oC干燥5 h后得到α－FeOOH。

1.4 分析方法

采用XRD仪对FeSO4和α－FeOOH的物相进行分析;采用SEM观察α－FeOOH的形貌。

2 结果与讨论

2.1 由铁泥制备FeSO4

铁泥中含有有机物和其他杂质。先通过过滤去除不溶于酸液的杂质。然后加入乙醇，使溶液成为水－乙醇相，在酸性条件下水－乙醇相中可结晶析出FeSO4晶体。由此达到去除杂质并提纯含铁化合物的目的。由铁泥制备FeSO4的收率为95%。中间产品FeSO4的XRD谱图见图2。由图2可见，所得产品为FeSO4·7H2O，用化学法测定其纯度为98%，达到 HG/T2935—2000《饲料级硫酸亚铁》［17］的标准。

图2 中间产品FeSO4的XRD谱图

2.2 n(NaOH)∶n(FeSO4)对 α －FeOOH 的颜色和物相的影响

n(NaOH)∶n(FeSO4)对产品α－FeOOH颜色的影响见表1。由表1可见:n(NaOH)∶n(FeSO4)对产品颜色影响较大;随着n(NaOH)∶n(FeSO4)的增大，产品颜色先由亮黄变成黑色，再由黑色逐渐转变成黄色。

表1 n(NaOH)∶n(FeSO4)对产品α－FeOOH颜色的影响

不同n(NaOH)∶n(FeSO4)条件下制得的α－FeOOH的XRD谱图见图3。由图3可见，曲线c为α－FeOOH的XRD谱图。这是因为在一定反应温度下，反应器中Fe2+浓度一定时，要生成纯的α－FeOOH，对OH－浓度有一定的要求，否则会有杂相生成［18］。当 n(NaOH)∶n(FeSO4)为 0.6 时，反应后混合液pH降至3，经计算α－FeOOH的产率为28.7%。当 n(NaOH)∶n(FeSO4)为5.0 时，反应前后混合液pH均为12左右，产率为99.7%。因此综合考虑产品的颜色及产率，实验确定n(NaOH)∶n(FeSO4)为5.0较为适宜。

图3 不同n(NaOH)∶n(FeSO4)条件下制得的α－FeOOH的XRD谱图

2.3 表面活性剂对α－FeOOH晶型的影响

加入不同表面活性剂制得的α－FeOOH的XRD谱图见图4。由图4可见，所得产品的各峰对应的晶面与JCPDS卡中29－0713 α－FeOOH的晶面一致，说明制得的产品均为α－FeOOH，但各峰强度和峰面积略有不同。由此可见，不同的表面活性剂对α－FeOOH的晶型有一定影响。

图4 加入不同表面活性剂制得的α－FeOOH的XRD谱图

加入不同表面活性剂制得的 α－FeOOH的SEM照片见图5。由图5可见:以聚丙烯酸钠为表面活性剂时，生成的α－FeOOH被聚丙烯酸钠包覆，且与其胶连在一起;以正辛醇为表面活性剂时，生成的α－FeOOH晶体呈纺锤形粒子，颗粒的形貌清晰;以十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂制备α－FeOOH时，所得产品的微晶形貌最好，颗粒明显细化、枝杈减少、轴比增大、颗粒均匀、分散性好。

图5 加入不同表面活性剂制得的α－FeOOH的SEM照片

对以正辛醇和十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂制得的α－FeOOH，采用孔隙比表面分析仪测得其比表面积分别为47.23 m2/g和47.89 m2/g。未添加表面活性剂时，制得的α－FeOOH的比表面积为45.74 m2/g。由此可见，加入表面活性剂对产品的比表面积影响不大，主要是改善了颗粒的形貌和均匀性。

在以十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂、n(NaOH)∶n(FeSO4)为 5.0 的条件下，处理1 kg废铁泥最终可得到α－FeOOH 824.4 g。

3 结论

以废铁泥和铁屑为原料，经酸浸、还原、空气氧化、过滤等工艺，制备了α－FeOOH。在30oC、以十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂、n(NaOH)∶n(FeSO4)为5.0的条件下，反应11 h后制得了质量较好的产品α－FeOOH。处理1 kg废铁泥最终可得到 α －FeOOH 824.4 g。

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Preparation of α-FeOOH from Industrial Iron Sludge

Zhang Liqing1，2，Liu Xinfeng1，2，Wang Yajing1，Yao Shuhua1，Pang Changjian1，Zhao Lingyan1

(1.College of Applied Chemistry，Shenyang University of Chemical Engineering，Shenyang Liaoning 110142，China;
2.Key Laboratory of Rare Earth Chemistry and Application of Liaoning Province，Shenyang University of Chemical Engineering，Shenyang Liaoning 110142，China)

α-FeOOH was prepared from industrial iron sludge via acid-leaching，reduction，air oxidation，filtration and so on.The product was characterized by XRD，SEM，and BET.The experimental results show that when sodium dodecylbenzene sulfonate is used as the surfactant，and n(NaOH)∶n(FeSO4)is 5.0，824.4 g of α-FeOOH can be prepared from 1 kg of iron sludge.

iron sludge;α-iron oxide hydroxide;air oxidation process;comprehensive utilization

TQ420.9

A

1006－1878(2011)03－0244－04

2010－10－20;

2011－01－10。

张丽清(1963—)，女，吉林省长春市人，博士，教授，主要从事矿产资源综合利用研究。电话 024－89383298，电邮 zlqsyuct@163.com。

辽宁省教育厅科学研究计划资助项目(05L336);辽宁省高校重点实验室资助项目(LS2010122)。

(编辑 王 馨)