三氧化二铁的合成方法

概述

Fe2O3是一种重要的n型半导体（Eg＝2.1eV），具有无毒、价廉和稳定等特性，被广泛应用于催化剂、传感器等。高纯度的三氧化二铁用于电子元件和磁记录材料, 目前国内高纯三氧化二铁的产量较小，质量较差，主要依赖进口。

合成^{【1】【2】【3】}

1. 由废铁渣制备三氧化二铁

以废铁渣为主要原料与工业硫酸反应制备三氧化二铁, 产生的废液加氧化钙生成副产物硫酸钙。废铁渣是由钢管厂在生产过程中，由于冲洗、切割、拉伸过程中产生的废料，每年产生约上百吨，放在工厂占面积，刮风下雨污染环境。用酸溶解废铁渣，治理环境污染，废物利用，制备有用的化工产品，为现实生产服务。

基本原理：

废铁渣的主要成分为四氧化三铁，它与一定浓度的硫酸在搅拌、加热至沸的条件下发生反应，生成硫酸亚铁及硫酸铁。反应式为:

将所得产物烘干, 灼烧, 可制得三氧化二铁。

制备步骤：

(1)称取经粉碎过20 目筛子的废铁粉20g(称准至0 .0001g)及0 .1 %的促溶剂于带搅拌装置的三口烧瓶中, 加8 ～ 9mol L 工业硫酸300 ～ 350mL , 安装回流装置、温度计。边搅拌、边加热, 至沸。保温反应2 ～ 3h后, 用倾析法趁热过滤, 少量残渣可做水泥添加剂或肥料添加剂。滤液陈化放置过夜。

(2)将陈化好的沉淀和母液倒入过滤漏斗, 减压抽滤, 滤液处理。沉淀用异丙醇抽滤洗涤2 ～ 3 次,滤液蒸馏回收异丙醇。沉淀用真空干燥箱烘干(或自然风干), 称重后, 再放入高温炉中灼烧, 即得产品三氧化二铁。

(3)将上述所得的滤液, 加入碱石灰中和, 减压过滤, 所得的沉淀为CaSO4 , 经烘干后可供厂家使用, 所产生的滤液调到pH 6 ～ 8 排放。

工艺流程图：

此制备工艺的开发, 解决了工厂的占地面积、废物对环境的污染, 解决了废铁渣不好处理的问题。采用加中和剂中和, 排放的滤液无毒无害, 没有给环境带来污染, 附和环保日益苛刻的要求。

2. 三氧化二铁的制备方法主要有干法和湿法二种。

工艺流程如下:

干法:原料→直接灼烧→Fe2O3

湿法:原料→溶解、净化→过滤→中和、氧化→滤洗→烘干、灼烧→Fe2O3

干法的生产方法简单, 但产品纯度不高, 且坚硬难粉碎;湿法工艺比较复杂, 但产品纯度高, 疏松易磨, 色泽好。故选用湿法制备三氧化二铁, 通过对湿法工艺条件的摸索, 制得了纯度达99 .8 %以上的三氧化二铁。

实验原理：

2 .1 净化原理

利用化学共沉淀原理, 加氨水的同时, 通空气氧化使其产生微量的FeO(OH)沉淀, 除去亚铁盐溶液中的可溶性钛, 锰等杂质。

2 .2 中和、氧化原理：

制备方法：

净化：

将亚铁盐溶液在一定温度下边搅拌边加入25 %的氨水调节亚铁盐溶液的pH 值至4.0 ～6 .5 , 同时通入一定流量的压缩空气, 将溶液氧化,冷却, 静置24h , 抽取上面清液, 用抽滤法去除底部浑浊残渣, 则净化完成。

中和、氧化：

取上面滤液, 加热至30 ～ 60 ℃, 在不断搅拌下用饱和NH4HCO3 缓慢中和至一定pH 值, 继续搅拌中和后的溶液1h , 迅速升温至80 ～ 90 ℃,以一定流量的压缩空气通20 ～ 60min , 冷却、过滤。

洗涤：

用去离子水多次洗涤沉淀物, 直至无SO2^_ 为止, 用BaCl₂ 检测。

烘干、灼烧：

将上述沉淀转入不锈钢盘中, 在烘箱中110 ～ 120 ℃烘2 ～ 3h 后, 放入马弗炉一定时间,冷却、粉碎。

湿法合成高纯Fe2O3 的条件:

净化:温度60℃ , pH 值5 .4 , 通气时间30min 。

中和、氧化:中和温度50 ℃, pH6 .5 , 通气时间40min 。

灼烧:温度700 ℃, 时间3min 。

按以上条件制备出的Fe2O3 的纯度达99 .80 %以上, 颜色为红棕色。

3. 生物模板法制备微纳米三氧化二铁

以FeCl3为起始原料，采用不同的生物模板（定量滤纸、鸡蛋内膜），通过浸渍和煅烧，成功地制备出具有生物形态的微纳米Fｅ2O3。

先用电子分析天平准确称取一定量的FeCl3于烧杯中，用去离子水使其溶解配制成相应浓度的FeCl3溶液。然后，将定量滤纸浸入上述溶液中浸泡２ｈ，再取出后于９０℃下烘干。最后，将烘干的滤纸放入马弗炉中，在相应的温度下恒温煅烧２ｈ，取出样品，自然冷却，即得微纳米结构Fe2O3产品。调整煅烧温度、FeCl3的浓度以及不同的生物模板（鸡蛋内膜）即可得不同条件下的Fe2O3产品。

合成机理的探讨：

生物模板法制备微纳米材料主要是根据物理浸渍和高温煅烧建立起来的一种新方法，同时也是在某些无机金属元素与天然生物模板具有很好的相容性的前提下采用的一种实验室制备方法，具有一定的理论基础。定量滤纸纤维表面存在大量的羟基，能够为金属氧化物沉淀提供一个合适的基体。对于文中滤纸作模板制备微纳米Fe2O3晶体的机理，我们推测，合成机理包括以下三步：

（１）溶液中的Ｆｅ３＋通过吸附作用被吸附到滤纸纤维表面。

（２）在干燥过程中，随着温度的升高，Ｆｅ^３＋ 水解形成氢氧化铁。

（３）样品经过高温煅烧，氢氧化铁分解变成氧化铁，同时滤纸模板经过氧化被除去，最终得到具有滤纸模板形貌的微纳米氧化铁产品。

以鸡蛋内膜为模板制备微纳米FFe2O3的机理与之相似。众所周知，鸡蛋内膜中含有90％左右的蛋白质，主要成分是胶原蛋白、卵清蛋白，蛋白质通过肽键结合形成了长度在几十至几百微米、直径为1～2μｍ 的多肽长链，肽链上存在大量可以与金属离子结合的位点，具有天然的矿化功能，当鸡蛋内膜浸入FeCl3，Ｆｅ^３＋ 与蛋白质的羧基负离子结合形成复合物，经过高温处理最终生成具有鸡蛋内膜形貌的微纳米Fe2O3。

参考文献

[1] 刘亚芬，由废铁渣制备三氧化二铁，实验室研究与探索，2005.01，第34页

[2] 金建忠，高纯三氧化二铁的研制，浙江化工，1999.01，第41页

[3] 黄保军，何琴，郭少凡，法文君，郑直，生物模板法制备微纳米三氧化二铁，化学世界，2012.03，第134页