绿锈制备的实验与模拟

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绿锈长期以来只是作为各种铁氧体生成过程中产生的中间体出现,研究人员还没有对其进行系统的研究,但绿锈在铁氧体制备、金属防腐等领域有着重要的意义,本文主要对铁氧体绿锈的制备方法、动力学参数测定及模型化研究进行一种可行性探索。通过对绿锈制备的研究,提出了一种新方法——在pH≈6的条件下,将三价铁溶液滴加到亚铁溶液中,同时通过调节NaOH的滴加速度,维持体系pH值恒定,待三价铁滴加完,继续滴加NaOH至7,制得绿锈。与共沉淀法相比,在该制备过程中溶液始终保持绿色,而无黄色呈现;电子透射电镜(TEM)图片显示本制备法所得产物中只有六边形晶貌的绿锈,没有三价铁氢氧化物针状物形成,因此该制备方法提高了产物的收率,更有利于绿锈生成。不同时期的TEM图片表明,绿锈的成核速率较慢,常温条件下形成的是无定型绿锈,常温陈化10天以上才有晶体出现,但在较高温度(70℃)下陈化可使成核加快。绿锈的制备过程中涉及亚铁离子氧化、三价铁离子水解、氢氧化铁无定型物形成氢氧化铁晶体等竞争反应,进行工艺的优化时,应对这些机理进行深入研究,优化反应条件以减少副反应的发生,提高反应的选择性。结合文献分析可知:在pH值为中性的操作条件下,最主要的副反应是亚铁的氧化和氢氧化铁晶体的产生。采用循环伏安法对体系中亚铁离子浓度实时测定,并借鉴文献中对亚铁氧化、三价铁氢氧化物成核等速率的研究,对绿锈生成动力学进行研究,绿锈生成速率与亚铁离子浓度的二次方及无定型氢氧化铁浓度的一次方的乘积成正比,速率常数为0.33 M-1s-1。选择泰勒-库尔特反应器为绿锈结晶提供良好的生成条件。利用计算流体力学(CFD)软件,对泰勒-库尔特反应器中绿锈生成进行模拟,为今后开发该类反应器中绿锈的合成进行初步探索。对流场进行三维定态数值模拟,泰勒-库尔特反应器中的流场与库尔特流型发展趋势相吻合,从而验证了流场模型的正确性;通过改变库尔特反应器内筒转速和加料位置,分别在泰勒流和库尔特流中模拟反应情况,比较扩散、混合对反应选择性的影响。模拟结果表明在库尔特流条件下,采用从内筒侧面滴加三价铁溶液、外筒侧面滴加NaOH溶液的方法有利于生成绿锈,可提高反应收率。
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