Структура, морфология и магнитные свойства нанопорошков гематита и маггемита, полученных из прокатной окалины

Работа посвящена разработке экономичного метода получения дорогостоящих и востребованных на рынке нанопорошков α-Fe₂O₃ и γ-Fe₂O₃ из отхода металлургического производства – замасленной прокатной окалины, образующейся при механической очистке горячекатаной стальной полосы в окалиноломателях. Экспериментально определены наиболее значимые параметры химико-металлургического процесса получения и основные свойства получаемых материалов. Исследования свойств исходных материалов и нанодисперсных продуктов проводили методами рентгеновской дифрактометрии, энергодисперсионной спектроскопии, сканирующей и просвечивающей микроскопии, а также мессбауэровской спектрометрии. Температурные и полевые зависимости намагниченности порошков построены по данным измерений на вибрационном магнитометре. Показано, что прокатная окалина состоит из трех основных фаз: вюстита, магнетита и гематита в соотношении 6:8:7 (по массе) соответственно. Исходную окалину активировали в магнитной мельнице в токе водорода и растворяли в смеси соляной и азотной кислот. Полученные растворы использовали для получения нанокристаллического гематита α-Fe₂O₃ химико-металлургическим методом, основными этапами которого являлись осаждение гидроксида щелочью при постоянном значении pH, отмывка, сушка и дегидратация. Маггемит γ-Fe₂O₃ получали из гематита в две стадии: на первой стадии проводили восстановление водородом, а на второй – образовавшийся магнетит окисляли на воздухе. Частицы синтезированных нанодисперсных порошков оксидов находятся в агрегированном состоянии. Частицы α-Fe₂O₃ имеют сферическую, а γ-Fe₂O₃ – палочкообразную форму. По данным мессбауэровской спектроскопии в решетках обоих оксидов содержатся магний, алюминий, кремний, хром и марганец, перешедшие из исходной окалины. Эти элементы определяют магнитные свойства нанопорошков α-Fe₂O₃ и γ-Fe₂O₃. Комплекс свойств нанодисперсных порошков гематита и маггемита, полученных из отходов металлургического производства (прокатной окалины), позволяет рекомендовать их для применения в качестве катализаторов, в системах очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов, для изготовления маркеров анализа крови.

переработка отходов, прокатная окалина, магнитные свойства нанопорошков, применение нанопорошков, гематит, маггемит, методы очистки сточных вод, маркеры, катализаторы

1. Jiang L., Wang J., Wu X., Zhang G. A stable Fe₂O₃/expanded perlite composite catalyst for degradation of rhodamine B in heterogeneous photo-fenton system // Water, Air, and Soil Pollution. 2017. Vol. 228. No. 12. No. 463

2. Mondal A.K., Rabeya T., Asad M.A. Removal of methylene blue from wastewater using Fe₂O₃ as an adsorbent // Indian Journal of Advances in Chemical Science. 2018. Vol. 6. No. 4. P. 200 – 204.

3. Mohapatra M., Anand S. Synthesis and applications of nano-structured iron oxides/hydroxides – a review // International Journal of Engineering, Science and Technology. 2010. Vol. 2. No. 8. P. 127 – 146.

4. Kour S., Sharma R.K., Jasrotia R., Singh V.P. A brief review on the synthesis of maghemite (γ-Fe₂O₃) for medical diagnostic and solar energy applications // Advances in Basic Science (ICABS 2019). AIP Conf. Proc. 2019. Vol. 2142. No. 1. P. 090007-1 – 090007-7.

5. Barmashov A.E., Grishechkina E.V., Dosovitskii A.E., Baryshnikova M.A. Superparamagnetic particles and their application in oncology // Nanotechnologies in Russia. 2016. Vol. 11. No. 11-12. P. 716 – 726.

6. Sivula K., Florian Le F, Gratzel M. Solar water splitting: progress using hematite (α-Fe₂O₃) photoelectrodes // ChemSusChem. 2011. Vol. 4. P. 432 – 449.

7. Fedotov M.A., Kovalenko L.V., Folmanis G.E., Samus M.A., Krasitskaya S.G., Tananaev I.G. Functional Materials for Radioactive Waste Management // Nanotechnologies in Russia. 2018. Vol. 13. No. 11-12. P. 578 – 584.

8. Fedotov M.A., Gorbunova O.A., Fedorova O.V., Folmanis G.E., Kovalenko L.V. Magnetic iron oxides in the cementation technology of the boron-containing radioactive waste // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 81. No. 012063.

9. Fedotov M.A., Zinoveev D.V., Grudinsky P.I., Kovalenko L.V., Dyubanov V.G. Utilization of red mud and boron-containing liquid radioactive wastes of nuclear power plants // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 525. No. 012095.

10. Baek Seok-Heum, Hong Soon-Hyeok, Cho Seok-Swoo, Jang Deuk-Yu, Joo Won-Sik. Optimization of process parameters for recycling of mill scale using Taguchi experimental design // Journal of Mechanical Science and Technology. 2010. Vol. 24. No. 10. P. 2127 – 2134.

11. Sanin V.N., Ikornikov D.M., Andreev D.E., Sachkova N.V., Yukhvid V.I. Mill scale recycling by SHS metallurgy for production of cast ferrosilicon and ferrosilicoaluminium // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 558. P. 012041.

12. Nanopowders // US Research Nanomaterials, Inc. – URL: http://www.us-nano.com/nanopowders (Дата обращения 18.12.2019).

13. Fouad D.E., Zhang C., El-Didamony H., Yingnan L., Mekuria T.D., Shah A.H. Improved size, morphology and crystallinity of hematite (α-Fe₂O₃) nanoparticles synthesized via the precipitation route using ferric sulfate precursor // Results in Physics. 2019. Vol. 12. P. 1253 – 1261.

14. Fouada D.E., Zhanga C., Mekuria T.D., Bi C., Zaidi A.A., Shah A.H. Effects of sono-assisted modified precipitation on the crystallinity, size, morphology, and catalytic applications of hematite (α-Fe₂O₃) nanoparticles: A comparative study // Ultrasonics Sonochemistry. 2019. Vol. 59. No. 104713.

15. Godymchuk A., Papina L., Karepina E., Kuznetsov D., Lapin I., Svetlichnyi V. Agglomeration of iron oxide nanoparticles: pH effect is stronger than amino acid acidity // Journal of Nanoparticle Research. 2019. Vol. 21. No. 10. Article 208.

16. Alymov M.I., Rubtsov N.M., Seplyarskii B.S., Zelensky V.A., Ankudinov A.B. Temporal characteristics of ignition and combustion of iron nanopowders in air // Mendeleev Commun. 2016. Vol. 26. No. 5. P. 452 – 454.

17. Alymov M.I., Rubtsov N.M., Seplyarskii B.S., Zelensky V.A., Ankudinov A.B. Synthesis and characterization of passivated iron nanoparticles // Mendeleev Commun. 2016. Vol. 26. No. 6. P. 549 – 551.

18. Konyukhov Yu.V., Nguyen V.M., Ryzhonkov D.I. Kinetics of reduction of α-Fe₂O₃ nanopowder with hydrogen under power mechanical treatment in an electromagnetic field // Inorganic Materials: Applied Research. 2019. Vol. 10. No. 3. P. 705 – 711.

19. Конюхов Ю.В., Рыжонков Д.И., Левина В.В., Дзинзигури Э.Л. Получение нанопорошков железа из железорудного сырья // Изв. вуз. Черная металлургия. 2005. № 3. С. 11 – 15.

20. Valladares L.De Los Santos, Domínguez A.B., Félix L.L., Kargin J.B., Mukhambetov D.G., Kozlovskiy A.L., Moreno N.O., Santibañez J.F., Cabrera R.C., Barnes C.H.W. Characterization and magnetic properties of hollow α-Fe₂O₃ microspheres obtained by sol gel and spray roasting methods // Journal of Science: Advanced Materials and Devices. 2019. Vol. 4. No. 3. P. 483 – 491.