磁性Fe3O4/莫来石陶粒复合材料制备研究

摘要：煤矸石是煤炭开采和洗选过程排放的固体废弃物，是我国目前年排放量和累计堆存量最大的工业废渣。煤矸石可用于制备重金属吸附材料，实现以废治废。试验将煤矸石在1 200 ℃温度下烧结制成陶粒，然后将陶粒在不同浓度的硝酸铁溶液中浸渍，分离陶粒并烘干，用管式炉对其进行氢气还原处理，得到磁性Fe3O4/莫来石陶粒复合材料，研究陶粒复合材料的物相、微观形貌、磁性能及密度。结果表明，陶粒负载物的物相组成为Fe3O4，作为前驱体溶液，硝酸铁溶液浓度越大，陶粒复合材料磁性越强，证实负载工艺可行。

关键词：煤矸石；陶粒复合材料；制备；磁性；Fe3O4；莫来石

中图分类号：TB332；X705 文献标识码：A 文章编号：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

随着工业、农业和科技等方面的快速发展，人们的生活水平不断提高，但部分地区环境污染依然严重。煤矸石是煤炭开采和洗选过程排放的固体废弃物，是我国目前年排放量和累计堆存量最大的工业废渣。煤矸石的主要成分是Al2O3和SiO2，其次是Fe2O3、CaO、MgO、Na2O和P2O5，另外还含有微量的镓、钛、钴和钒[1-2]。大量煤矸石的堆放占用土地，影响生态环境，淋溶水也污染周围土壤和地下水。陶粒是利用回转窑生产的一种轻骨料，表面呈球形，光滑坚硬，内部呈蜂窝状，具有密度低、导热系数低和强度高的特点[3-4]。凭借优异的性能，陶粒可以用于制备建筑材料和耐火保温材料，随着研究的深入，应用领域越来越广[5]。山西省是煤炭资源大省，煤矸石产生量和堆存量大，资源化利用面临巨大压力。试验以煤矸石为主要原料，制备一种新型的重金属吸附材料——磁性Fe3O4/莫来石陶粒复合材料，验证以废治废的可行性，同时为后续吸附提供基础数据支持。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验材料为煤矸石粉末，样品采集于阳泉市，其化学成分如表1所示。主要试剂有两种，即聚乙烯醇和硝酸铁（Fe（NO3）3·9H2O），均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。试验以聚乙烯醇溶液为黏结剂，以硝酸铁溶液为铁源。

1.2 试验方法

1.2.1 陶粒制备

将煤矸石粉末置于强力混合机中，混合搅拌1 min

左右，然后逐步添加聚乙烯醇溶液成球，将成球后的生料在烘箱中（温度80 ℃）干燥。采用不同筛孔的筛子对生料颗粒进行筛分，之后在温度1 200 ℃的烧结炉中进行烧结。

1.2.2 浸渍

将烧结后的陶粒分别置于浓度为0.5 mol/L、

1.0 mol/L、1.5 mol/L和2.0 mol/L的硝酸铁溶液中，在磁力搅拌器的作用下浸渍5 h，用循环水式真空泵抽滤，使得溶液与陶粒分离。分离得到的陶粒样品在烘箱中（温度80 ℃）干燥4 h，然后用管式炉（温度500 ℃）进行氢气还原处理，得到磁性Fe3O4/莫来石陶粒复合材料。为方便描述，将还原温度为

500 ℃时不同前驱体溶液浓度下制备的陶粒复合材料分别命名为Fe3O4/M-0.5、Fe3O4/M-1.0、Fe3O4/M-1.5及Fe3O4/M-2.0。

1.2.3 试样表征

通过X射线衍射及扫描电子显微镜表征产物的物相和形貌，分析不同浓度的前驱体溶液浸渍下负载物的物相演变过程和机理，同时测试样品的密度和磁性能，得到浓度对结构的影响规律。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

烧结后的陶粒分别置于不同浓度的前驱体溶液浸渍后，经氢气还原处理，得到磁性Fe3O4/莫来石陶粒复合材料，X射线衍射图谱如图1所示。数据显示，衍射角分别为30.10°、35.42°和62.52°时，产物Fe3O4/M-0.5、Fe3O4/M-1.0、Fe3O4/M-1.5及Fe3O4/M-2.0均出现Fe3O4的衍射峰，分别对应Fe3O4的不同晶面。经分析，在热处理过程中，首先发生硝酸铁的热分解，随后分解产物实现氧化还原，如式（1）、式（2）所示。同时，前驱体溶液浓度的变化不会影响负载物的成分。

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

3Fe2O3+H2→2Fe3O4+H2O↑（2）

2.2 微观形貌分析

氢气还原温度为500 ℃时，陶粒空白样及Fe3O4/M-2.0

的扫描电子显微镜照片如图2所示。由图2（a）可以看出，陶粒空白样的微观结构比较松散，气孔较多，致密化程度较低。相比之下，负载及热还原处理所得的陶粒复合材料Fe3O4/M-2.0结构更加致密，负载物均匀负载于陶粒上，如图2（b）所示。根据X射线衍射分析结果，负载物为Fe3O4，表明负载成功。

2.3 磁性能及密度分析

不同陶粒复合材料的磁性能及密度如表2所示。随着前驱体溶液浓度的增加，陶粒复合材料的饱和磁化强度逐渐增加。另外，陶粒复合材料的密度介于1.86～2.31 g/cm3，同样呈增长趋势。前驱体溶液浓度越大，陶粒负载物的负载量越大，磁性增强，进一步证实负载工艺的可行性。

3 结论

焙烧得到的陶粒可满足浸渍要求，同时陶粒内部有一定的孔隙。还原温度为500 ℃时，陶粒负载物的物相组成为Fe3O4。随着前驱体溶液浓度的升高，陶粒负载物的负载量不断增多，陶粒磁性能逐渐增强，视密度逐步增大，可用于后续负载工艺研究。

参考文献

1 李虎杰，陶 军.煤矸石制备高强陶粒的试验研究[J].非金属矿，2010（3）：20-22.

2 张志勇，王春梅，曹会云.煤矸石综合利用的现状[J].山东煤炭科技，2006（6）：14.

3 马 雪，姚 晓，陈 悦.添加锰矿低密度高强度陶粒支撑剂的制备及作用机制研究[J].中国陶瓷工业，2008（1）：1-5.

4 刘 云.高强度陶粒支撑剂的研制[J].陶瓷，2004（5）：24-26.

5 赵 俊，严春杰，栾英伟，等.含焦宝石的陶瓷支撑剂的制备及性能[J].中国粉体技术，2010

（3）：78-81．