铁尾矿硫酸焙烧法提取铁制备α-Fe2O3光催化剂

2020-08-15牟文宁卢俊达罗绍华雷雪飞梁金生段昕辉1

金属矿山 2020年7期

牟文宁卢俊达罗绍华雷雪飞梁金生段昕辉1

（1.东北大学秦皇岛分校资源与材料学院，河北秦皇岛066004；2.秦皇岛市资源清洁转化与高效利用重点实验室，河北秦皇岛066004；3.固废资源利用与生态发展制造业创新中心（河北工业大学），天津300130）

随着我国钢铁产业的迅速发展，铁矿石资源开发规模加大，铁尾矿的排放量也逐年增加［1］，这不仅占用大量土地，严重影响周边的环境，每年还需耗费大量资金用于尾矿坝的建设和维护［2］。因此，铁尾矿的减量化、无害化和资源化利用迫在眉睫。

铁尾矿中富含硅、铁等有价元素，通过提取可用于制备功能性材料。目前，铁尾矿中硅的回收方法［3-9］已得到广泛研究，而针对铁回收方法的研究较少，主要集中于盐酸浸出法［10］、深度还原法［11］、萃取法［12］等。α-Fe2O3是一类重要的光催化材料，具有n型半导体行为、窄带隙能（Eg=2.1 eV），能够直接利用太阳光谱大部分可见光进行光催化反应，对于提高太阳光利用率，促进光催化剂的实用化具有重要意义［13-16］。

本研究以铁尾矿为原料，采用硫酸焙烧法提取铁，焙烧熟料经浸、过滤得到含铁的硫酸盐溶液，再利用中和沉淀法制备含铁前驱体，而后经煅烧制备α-Fe2O3，将其用于光催化降解有机染料甲基橙，实现铁尾矿中铁的利用。

1 试验原料及方法

1.1 试验原料

本研究所用铁尾矿来自承德地区，经球磨，过180目筛后用于试验，其主要化学成分和XRD物相分析结果分别见表1、图1。

由表1可知，铁尾矿中Fe2O3的含量为25.50%，具有一定的提取价值。图1的XRD分析结果表明，铁尾矿中主要矿物为石英、赤铁矿和绿泥石，其它矿物含量较少。

1.2 试验方法

本研究采用硫酸焙烧法从铁尾矿中提取铁并制备α-Fe2O3光催化剂，具体的工艺流程如图2所示。

1.2.1 硫酸焙烧法提取Fe

将10 g铁尾矿按照一定的酸矿质量比与浓硫酸置于瓷坩埚中混合均匀，放入密闭的竖式焙烧炉中，在一定温度下焙烧一段时间后，冷却到室温，取出熟料将其与水按固液比1∶5混合，在80℃的水浴中搅拌浸出40 min，过滤得到浸出液，即为含铁的硫酸盐溶液。采用化学滴定法测定浸出液中铁元素的含量，并计算铁的提取率。

1.2.2 α-Fe2O3光催化剂的制备

将250 mL的浸出液置于集热式磁力加热搅拌器中，搅拌条件下，加入2 mL过氧化氢使溶液中的Fe2+氧化为Fe3+。在40℃的温度下采用蠕动泵缓慢、连续地向浸出液中滴加浓度为1 mol/L的氨水溶液，利用电位pH计实时监测溶液的pH值，当pH达到4时搅拌反应40 min后过滤，得到含铁的前驱体。将前驱体在一定温度下煅烧2 h制备得到α-Fe2O3。

1.2.3 α-Fe2O3光催化性能测定

将0.2 g的α-Fe2O3加入到150 mL浓度为0.15 mg/L（pH=3）的甲基橙溶液中，25℃的无光条件下以100 r/min的速度搅拌20 min，使其达到吸附平衡。然后，在紫外灯照射条件下以100 r/min的速率搅拌反应2 h，每隔30 min吸取5 mL样品溶液，过滤后，对滤液进行紫外可见吸收光谱测定，分析并计算α-Fe2O3光催化剂的光催化降解效果。

2 结果与讨论

2.1 铁尾矿中铁的提取

2.1.1 酸矿比对铁提取率的影响

在焙烧温度为280℃，焙烧时间为2 h的条件下，考察酸矿比对铁提取率的影响，结果如图3所示。

由图3可知，铁的提取率随酸矿比的增加而增大，酸矿比为2∶1时铁提取率达到89.80%，之后继续增加酸矿比，铁的提取率增加幅度减小。综合考虑，确定铁尾矿酸焙烧的适宜酸矿比为2∶1。

2.1.2 焙烧温度对铁提取率的影响

在酸矿比为2∶1，焙烧时间为2 h的条件下，考察焙烧温度对铁提取率的影响，结果如图4所示。

由图4可知，随着温度的升高，铁的提取率显著增加，在焙烧温度高于280℃时增加幅度减小。升高温度可加快硫酸向矿物扩散的速率以及其与试样发生化学反应的速率，过高的温度不能有效地增加铁的提取率，却增加了能耗。综合考虑，选择280℃为适宜的铁尾矿硫酸焙烧温度，此时铁的提取率为89.80%。

2.1.3 焙烧时间对铁提取率的影响

在焙烧温度为280℃，酸矿比为2∶1的条件下，考察焙烧时间对铁提取率的影响，结果如图5所示。

由图5可知，随着焙烧时间的增加，铁的提取率逐渐增加，当焙烧时间大于2 h后，铁的提取率趋于稳定。为提高铁尾矿硫酸焙烧的效率，焙烧时间2 h为宜。

2.2 含铁前驱体的制备

铁尾矿硫酸焙烧浸出液中包含Fe2+、Fe3+及Al3+、Mg2+杂质，根据金属离子沉淀pH的差异，采用中和沉淀法调节溶液pH逐级沉淀金属离子。由于Fe2+沉淀完全的pH与Al3+开始沉淀的pH之间存在交叉，为避免含铁前驱体中杂质Al的引入，先采用双氧水将浸出液中的Fe2+氧化为Fe3+，调节溶液pH为4时可实现99%以上Fe3+的沉淀。含铁前驱体制备过程中发生的化学反应为

图6为含铁前驱体的XRD谱图分析结果，从图6可以看出，浸出液中和沉淀产物的XRD图谱中各个衍射峰与标准FeOOH卡片（01-662）相对应，表明制备的产物为非晶态的FeOOH。

2.3 α-Fe2O3光催化剂的制备

将含铁前驱体在400～600℃的温度下煅烧2 h制备α-Fe2O3光催化剂。焙烧过程的反应方程式为

不同温度下煅烧制备的产物的XRD如图7所示，生成的产物的衍射峰均与α-Fe2O3的卡片（33-0664）对应，且无其他杂峰产生，表明产物为纯度较高的α-Fe2O3。

制得的α-Fe2O3的SEM分析结果见图8，可以观察到，α-Fe2O3颗粒尺寸均已经达到纳米级别，粒子呈类球状，直径尺寸约为20～50 nm。随着煅烧温度的升高，颗粒尺寸减小，团聚严重。400℃下制备的α-Fe2O3颗粒分散性较好，粒径约为40～50 nm。

2.4 α-Fe2O3光催化性能

制得的α-Fe2O3光催化性能测试结果如图9（a）和（b）所示。

由图9可知，在暗反应阶段，20 min后α-Fe2O3和甲基橙溶液达到吸附平衡，此时α-Fe2O3对甲基橙的吸附率为56%。紧接着向溶液中加入H2O2进行光催化反应，随着光催化反应时间的增加，溶液中甲基橙溶液的吸光度值逐渐降低，甲基橙在120 min时几乎降解完全，降解率可达到99%，表明制备的α-Fe2O3可以加速降解溶液中甲基橙分子，具有良好的光催化性能。