Apply Topotactic Reaction Of Same Crystal Class To Comprehensive Utilization Of Open-heath Dust Gerile，Xu Aiju，Hou Pengxiang1， Li Jimei2 (Department of Chemistry of lnner Mongolia University Huhhot 010020 1Institute of Metal, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 2Inner Mongolia Agricuture-pasture College Huhhot) Abstract Applying theory of topotactice reaction in the same crystal class, we can utilize the rich resources of open-hearth dust to prepare the high temperature shift catalyst without calcining at high temperature and producing the ultra-fine spinel ferrites. Key words Open-hearth Dust, Topotice Reaction 摘要 利用同晶型间的拓扑转化原理及存在大量平炉尘这一现实,用平炉尘制备了不用高温焙烧的中温变化催化剂和纳米级尖晶石型铁酸盐磁性粉末。 关键词 平炉尘 局部规整反应 用同晶型间拓扑转化原理综合利用炼钢平炉尘* 格日勒 徐爱菊 侯鹏翔1李金梅2 (内蒙古大学化学系 呼和浩特 010021 1中国科学院金属研究所 沈阳 2内蒙古农业大学 呼和浩特) 1 实验 原料的前处理及样品的制备： 包钢平炉尘氧化铁含量在80%以上，主要以γ-Fe2O3存在经过提纯可达98%粒度细，着色力强[1]。所含少量的Ca,Mg有利于催化活性，所以制备中温变换催化剂对平炉尘原料无需进行更多的处理，只需简单提纯，将平炉尘和少量活性组分按传统方法在空气氧化条件下用氨水进行共沉淀，洗涤，过滤，在200℃干燥[2]。 用平炉尘制备铁酸盐对原料要求较高，必须精心提纯，并进行颗粒筛选，才能制备出均匀的纳米级铁酸盐。将平炉尘中的γ-Fe2O3与等摩尔Fe2+同计算量的碱混合后形成悬浮液，在氮气氛中回流生成铁酸盐[3]。 2 结果与讨论 传统的离子反应，无论制备催化剂还是铁酸盐都会产生中间体(大量胶态Fe(OH)3或FeOOH)，然后才能转化为产物。平炉尘的转化则不产生中间体，仅视有无氧化条件而生成催化剂或铁酸盐。 2.1催化剂：由于平炉尘的Fe2O3主要以γ型存在，有γ-Fe2O3作为晶种(或活性载体)，又有氧化条件，因而在制备过程中Fe2+是形成γ-Fe2O3，而极少产生α-Fe2O3。由于没有大量的胶态Fe(OH)3，同时平炉尘含硫量极少(0.3%)，在制备过程中可以避免SO42-的进入，因而使沉淀的洗涤，过滤相当容易。沉淀在200℃干燥脱水，即可形成氧化态组分为γ-Fe2O3的中温变换催化剂(助剂以固溶体存在)，这样制备出的催化剂，其比表面积和孔径分布等参数比起平炉尘原料和一些市售催化剂大为提高[2]。 由图1的X射线衍射物相分析可知，低温干燥脱水和高温焙烧脱水的样品其物相是一样的。活性测试结果也表明，两者的催化活性相差无几(如表1所示)，微小差别是含水量的微小差别而引起的。电镜图也说明平炉尘，低温干燥，高温焙烧三者形貌及粒度分布一样。中温变换催化剂的活性组分(还原态)为Fe3O4，从立方晶系的γ-Fe2O3还原到立方晶系的Fe3O4的过程，属于同晶系的拓扑转化过程，其结晶关系为[110]γ-Fe2O3//[110]Fe3O4的同晶型拓扑转化[4.5]，氧离子亚点阵fcc并不发生变化。因而，用平炉尘制备的中温变换催化剂所需的还原活化能低，低温活性较氧化态为α-Fe2O3的中温变换催化剂的低温活性高。同时，因为省去了高温焙烧过程，从而大幅度降低能耗。 2.2 铁酸盐：在悬浮液中，平炉尘转化为Fe3O4同样没有中间产物。在非氧化条件的N2气氛中，Fe2+在γ-Fe2O3颗粒表面通过电子的传递向γ-Fe2O3晶格内的空位扩散,同晶间的局部规整完成由γ-Fe2O3 向Fe3O4的转化。同前述一样的结晶关系，氧离子密堆积形式没有变化。在相同条件下，α-Fe2O3 的转化速度仅仅是前者的1/2，证实了上述的观点。当 α-Fe2O3转化为Fe3O4时，氧离子的亚点阵由hcp转化为fcc，晶格结构发生重组需要较大的能量，所以在相同条件下反应较慢。 用Mn 、Co等金属的二价离子代替或部分代替 Fe2+可得到相应的铁酸盐，表2列出有关铁酸盐的晶胞常数和磁性。从表2看出，平炉尘转化产物的晶胞常数比较接近ASTM卡的标准值，磁性也与国内外介绍的资料相近，由于超微细颗粒有相当比例，表现出一定的超顺磁性。图2是由平炉尘转化的Fe3O4TEM照片。
图1 催化剂与平炉尘的x射线衍射图 |  | 图2 由平炉尘转化的Fe3O4TEM照片
A.高温焙烧的催化剂　B.干燥的催化剂 C.平炉尘 |  |
表1高温焙烧催化剂和干燥催化剂的活性比较
| 市售催化剂 |
催化剂
焙烧 | 干燥
| 平炉尘
Cr2O3/催化剂(wt%) | 5-10 |
8.5 | 8.5
| 8.5
CO的转化率(%) | 82-95 |
87 | 85
| <20
表2晶胞常数和磁性
| 晶胞常数 (nm) | ASTM卡标准值 (nm) | 饱和磁化强度 σs(emu/g) | 矫顽力(Oe) | 粒径 (nm)
Fe3O4 | 0.8408 | 0.8397 | 57.8 79.00 | 133 183 | 26.4 30～40
MnFe2O4 | 0.8477 | 0.8499 | 48.7 | 128 | 30～40
CoFe2O4 | 0.8407 | 0.8392 | 36.5 | 246 | 30～40
3 参考文献 [1] 蔡隆九.包钢平炉尘的回收及综和利用.环境工程，1990，2：12-14 [2] 格日勒,武斌,沈岳年.试用平炉尘制备中温变还催化剂.环境工程,1996,2:48-51 [3] 格日勒,邓风銮,金刚等.固液界面形成磁性超细粉及其机理探讨.材料科学与工艺,1997,3:22-25 [4] 坂东尚周.铁酸盐固体粒子的物性粉末及粉末冶金.1962,9[4]:130-145(日文) [5] 高田利夫.关于铁酸盐的局部规整反应.Electronicceramic,1975 6:53-56(日文) *国家自然科学基金资助项目(29666001) 99-03-18收稿