铁铬污泥制备的刚玉型含Cr片状氧化铁及其稳定性机理研究

In the traditional way, iron chromium sludge (such as electroplating sludge, stainless steel picking sludge, etc.) can end up in landfills or be utilized as raw materials for cement production, which not only increase risk of heavy-metal contamination, but also result in low reused value. In this project, flake chromium-containing iron oxide powders with high stability, a high-grade paint raw material, were synthesized successfully for the first time, which not only stabilized heavy metal Cr, but also reached high-value utilization of hazardous solid waste. Research focus of this project will be put on: corundum type crystal structure formation mechanism and flaky morphology control mechanism; establishing nucleating & crystal growth and flaky morphology controlling mathematical model; calculating and determining the lattice position and binding energy of chromium ion; depicting lattice coordinates and corresponding binding energy of Cr ion; clarifying the stabilization mechanism of chromium atomic; calculating binding energy variation resulted from atomic replacing between Cr and Fe in corundum type flaky iron oxide powders; detailing the boundary conditions of chromium stabilization and the chemical stability of corundum type flaky iron oxide powders. This research will not only provide a scientific idea for green and high-value reusing of iron chromium sludge but also enrich theories of physical chemistry and crystallography. This research idea has not been reported up to now.

铁铬污泥（电镀污泥、不锈钢酸洗污泥等）传统的填埋或用于水泥的处置方法存在重金属污染严重、资源利用价值低的问题。采用申请人发明的水热法制备刚玉型含Cr片状氧化铁技术，可实现铁铬污泥重金属Cr稳定固化和高值化绿色再利用。研究含Cr片状氧化铁刚玉型晶体结构形成、云母状片型控制等机理，建立其形核、晶体生长和片型控制的热力学和动力学模型；确定并计算Cr原子晶位及晶位结合能，描绘Cr原子的空间坐标及对应晶位结合能数学表达式，阐明Cr原子稳定化机制；采用第一性原理计算Cr原子替代片状氧化铁中Fe原子晶体结合能，确定Cr替代Fe后晶体结构稳定的边界条件，解释刚玉型含Cr片状氧化铁化学稳定性。研究成果不仅为铁铬污泥高值化绿色再利用提供一种科学思想，而且将丰富物理化学和晶体学理论。本研究思路未见报道。

随着电镀、冶金、制革等行业的发展，含Cr3+和Cr6+的铁铬污泥排放量日益增加，现有再利用水泥等处置方法存在重金属浸出风险高、产品附加值低等问题。本项目以铁铬污泥为原料，采用水热法制备出高性能含Cr片状氧化铁，揭示了片状氧化铁性能调控机制，阐明了含Cr片状氧化铁形成及Cr原子稳定化机理。. （1）含Cr片状氧化铁的形成可分为三个阶段：铬溶解、含铬FeOOH形成、含铬α-Fe2O3形成。首先，前驱体中的Cr(OH)3溶解并生成CrO2-：接着，Fe(OH)3逐渐转变为中间相FeOOH。在CrO2-作用下，形成含铬FeOOH；含铬FeOOH发生“溶解-再结晶”转变形成α-Fe2O3。体系中的Cr3+逐渐进入新生α-Fe2O3晶格中，最终形成含铬α-Fe2O3。水热反应过程中，由于OH-和CrO2-在α-Fe2O3晶面上发生选择性吸附，最终导致含铬α-Fe2O3粉体呈六角片状结构。. （2）片状氧化铁中Cr最大固化量约为0.26 wt.%，Cr3+通过替代价态相同、半径相近的Fe3+，进入α-Fe2O3相中，形成置换型固溶体。因此，片状氧化铁能稳定固化重金属铬。. （3）与普通FeOOH相比，含铬FeOOH在强碱体系中的溶解度更低，其发生“溶解-再结晶”转变所需的驱动力更高。因此，调整水热体系碱度、水热温度和水热时间，进而提高含铬FeOOH发生“溶解-再结晶”转变的驱动力是含铬片状氧化铁制备的关键。. （4）以含铬磨削料为原料，采用水热法成功制备出颜料用片状氧化铁粉体。优化工艺下（NaOH浓度14 mol/L、水热温度200℃、水热时间5 h），片状氧化铁产品的平均粒径15 μm、纯度97.6%，品质达到涂料用云母氧化铁国际标准（ISO 10601-2007）中一等品的要求。. 本项目成果将为铁铬污泥的绿色处置及高性能云母氧化铁制备提供理论依据和技术支撑，社会和经济效益显著。