磁性Fe3O4/莫來石陶粒復(fù)合材料制備研究

摘要：煤矸石是煤炭開采和洗選過程排放的固體廢棄物，是我國目前年排放量和累計堆存量最大的工業(yè)廢渣。煤矸石可用于制備重金屬吸附材料，實現(xiàn)以廢治廢。試驗將煤矸石在1 200 ℃溫度下燒結(jié)制成陶粒，然后將陶粒在不同濃度的硝酸鐵溶液中浸漬，分離陶粒并烘干，用管式爐對其進行氫氣還原處理，得到磁性Fe3O4/莫來石陶粒復(fù)合材料，研究陶粒復(fù)合材料的物相、微觀形貌、磁性能及密度。結(jié)果表明，陶粒負載物的物相組成為Fe3O4，作為前驅(qū)體溶液，硝酸鐵溶液濃度越大，陶粒復(fù)合材料磁性越強，證實負載工藝可行。

關(guān)鍵詞：煤矸石；陶粒復(fù)合材料；制備；磁性；Fe3O4；莫來石

中圖分類號：TB332；X705 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.003

Study on Preparation of Magnetic Fe3O4/Mullite Ceramic Particle Composite Materials

JI Guorong1， HAO Huilan1， GAO Yunfeng1， FENG Ming1， ZHU Baoshun1， TIAN Yuming1，2

（1. College of Materials Science and Engineering， Shanxi Institute of Science and Technology， Jincheng 048011， China;

2. School of Materials Science and Engineering， Taiyuan University of Science and Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract： Coal gangue is the solid waste discharged during coal mining and washing processes， and is currently the largest industrial waste residue in China in terms of annual emissions and cumulative storage. Coal gangue can be used to prepare heavy metal adsorption materials， achieving waste treatment by waste. The experiment sinters coal gangue into ceramic particles at a temperature of 1 200 ℃， then immerses the ceramic particles in different concentrations of iron nitrate solution， separates the ceramic particles and dries them， and uses a tube furnace for hydrogen reduction treatment to obtain magnetic Fe3O4/mullite ceramic particle composite materials， and studies the phase， microstructure， magnetic properties， and density of the ceramic particle composite materials. The results show that the phase composition of the ceramic particle loaded material is Fe3O4， as a precursor solution， the higher the concentration of iron nitrate solution， the stronger the magnetic properties of the ceramic particle composite material， confirming the feasibility of the loading process.

Keywords： coal gangue; ceramic composite materials; preparation; magnetism; Fe3O4; mullite

隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科技等方面的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，但部分地區(qū)環(huán)境污染依然嚴重。煤矸石是煤炭開采和洗選過程排放的固體廢棄物，是我國目前年排放量和累計堆存量最大的工業(yè)廢渣。煤矸石的主要成分是Al2O3和SiO2，其次是Fe2O3、CaO、MgO、Na2O和P2O5，另外還含有微量的鎵、鈦、鈷和釩[1-2]。大量煤矸石的堆放占用土地，影響生態(tài)環(huán)境，淋溶水也污染周圍土壤和地下水。陶粒是利用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的一種輕骨料，表面呈球形，光滑堅硬，內(nèi)部呈蜂窩狀，具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低和強度高的特點[3-4]。憑借優(yōu)異的性能，陶粒可以用于制備建筑材料和耐火保溫材料，隨著研究的深入，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣[5]。山西省是煤炭資源大省，煤矸石產(chǎn)生量和堆存量大，資源化利用面臨巨大壓力。試驗以煤矸石為主要原料，制備一種新型的重金屬吸附材料——磁性Fe3O4/莫來石陶粒復(fù)合材料，驗證以廢治廢的可行性，同時為后續(xù)吸附提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗材料為煤矸石粉末，樣品采集于陽泉市，其化學(xué)成分如表1所示。主要試劑有兩種，即聚乙烯醇和硝酸鐵（Fe（NO3）3·9H2O），均為分析純，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。試驗以聚乙烯醇溶液為黏結(jié)劑，以硝酸鐵溶液為鐵源。

1.2 試驗方法

1.2.1 陶粒制備

將煤矸石粉末置于強力混合機中，混合攪拌1 min

左右，然后逐步添加聚乙烯醇溶液成球，將成球后的生料在烘箱中（溫度80 ℃）干燥。采用不同篩孔的篩子對生料顆粒進行篩分，之后在溫度1 200 ℃的燒結(jié)爐中進行燒結(jié)。

1.2.2 浸漬

將燒結(jié)后的陶粒分別置于濃度為0.5 mol/L、

1.0 mol/L、1.5 mol/L和2.0 mol/L的硝酸鐵溶液中，在磁力攪拌器的作用下浸漬5 h，用循環(huán)水式真空泵抽濾，使得溶液與陶粒分離。分離得到的陶粒樣品在烘箱中（溫度80 ℃）干燥4 h，然后用管式爐（溫度500 ℃）進行氫氣還原處理，得到磁性Fe3O4/莫來石陶粒復(fù)合材料。為方便描述，將還原溫度為

500 ℃時不同前驅(qū)體溶液濃度下制備的陶粒復(fù)合材料分別命名為Fe3O4/M-0.5、Fe3O4/M-1.0、Fe3O4/M-1.5及Fe3O4/M-2.0。

1.2.3 試樣表征

通過X射線衍射及掃描電子顯微鏡表征產(chǎn)物的物相和形貌，分析不同濃度的前驅(qū)體溶液浸漬下負載物的物相演變過程和機理，同時測試樣品的密度和磁性能，得到濃度對結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

燒結(jié)后的陶粒分別置于不同濃度的前驅(qū)體溶液浸漬后，經(jīng)氫氣還原處理，得到磁性Fe3O4/莫來石陶粒復(fù)合材料，X射線衍射圖譜如圖1所示。數(shù)據(jù)顯示，衍射角分別為30.10°、35.42°和62.52°時，產(chǎn)物Fe3O4/M-0.5、Fe3O4/M-1.0、Fe3O4/M-1.5及Fe3O4/M-2.0均出現(xiàn)Fe3O4的衍射峰，分別對應(yīng)Fe3O4的不同晶面。經(jīng)分析，在熱處理過程中，首先發(fā)生硝酸鐵的熱分解，隨后分解產(chǎn)物實現(xiàn)氧化還原，如式（1）、式（2）所示。同時，前驅(qū)體溶液濃度的變化不會影響負載物的成分。

4Fe（NO3）3·9H2O→2Fe2O3+12NO2↑+36H2O↑+3O2↑（1）

3Fe2O3+H2→2Fe3O4+H2O↑（2）

2.2 微觀形貌分析

氫氣還原溫度為500 ℃時，陶?？瞻讟蛹癋e3O4/M-2.0

的掃描電子顯微鏡照片如圖2所示。由圖2（a）可以看出，陶粒空白樣的微觀結(jié)構(gòu)比較松散，氣孔較多，致密化程度較低。相比之下，負載及熱還原處理所得的陶粒復(fù)合材料Fe3O4/M-2.0結(jié)構(gòu)更加致密，負載物均勻負載于陶粒上，如圖2（b）所示。根據(jù)X射線衍射分析結(jié)果，負載物為Fe3O4，表明負載成功。

2.3 磁性能及密度分析

不同陶粒復(fù)合材料的磁性能及密度如表2所示。隨著前驅(qū)體溶液濃度的增加，陶粒復(fù)合材料的飽和磁化強度逐漸增加。另外，陶粒復(fù)合材料的密度介于1.86～2.31 g/cm3，同樣呈增長趨勢。前驅(qū)體溶液濃度越大，陶粒負載物的負載量越大，磁性增強，進一步證實負載工藝的可行性。

3 結(jié)論

焙燒得到的陶?？蓾M足浸漬要求，同時陶粒內(nèi)部有一定的孔隙。還原溫度為500 ℃時，陶粒負載物的物相組成為Fe3O4。隨著前驅(qū)體溶液濃度的升高，陶粒負載物的負載量不斷增多，陶粒磁性能逐漸增強，視密度逐步增大，可用于后續(xù)負載工藝研究。

參考文獻

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