氧化鐵性質(zhì)、用途與生產(chǎn)工藝
氧化鐵有天然的和人造的兩種。天然的稱(chēng)西紅，是基本上純粹的氧化鐵，為紅色粉末。由于生產(chǎn)方法和操作條件的不同，它們的晶體結(jié)構(gòu)和物理性狀都有很大的差別，色澤變動(dòng)于橙光到藍(lán)光至紫光之間。遮蓋力和著色力都很大。密度5-5.25。有優(yōu)越的耐光、耐高溫性能，并耐大氣影響、耐污濁氣體、耐一切堿類(lèi)。只有在濃酸中加熱的情況下才會(huì)逐漸溶解。
外觀：橙紅至紫紅色的三方晶系粉末。氧化鐵有天然的與合成的2種。天然的稱(chēng)作西紅，相對(duì)密度55.25。細(xì)度0.4～20um。熔點(diǎn)1565(分解)。灼燒時(shí)放出氧氣，能被氫和—氧化碳還原成鐵。不溶于水，溶于鹽酸、硫酸，微溶于硝酸和酵類(lèi)。氧化鐵具有優(yōu)異的耐光、耐高溫、耐酸、耐堿、防銹性。分散性好，著色力和遮蓋力很強(qiáng)，無(wú)油滲性和水滲性。無(wú)毒?？諝庵凶罡呷菰S濃度為5mg/m3。
氧化鐵是僅次于鈦白的第二大無(wú)機(jī)顏料，也是第一大彩色無(wú)機(jī)顏料。氧化鐵顏料主要指以鐵的氧化物為基本物質(zhì)的氧化鐵紅、鐵黃、鐵黑和鐵棕四類(lèi)著色顏料，其中以氧化鐵紅為主（大約占到氧化鐵顏料的50%），用作防銹顏料的云母氧化鐵以及用作磁性紀(jì)錄材料的磁性氧化鐵也屬于氧化鐵顏料的范疇。
鐵含量，以Fe2O3(105℃烘干)表示，
%（m/m）≥
水溶性氧化物及鹽，
以C1和SO1表示，%（m/m）≤
篩余物（63um網(wǎng)眼），%（m/m）≤
顏色1)、2)（與標(biāo)準(zhǔn)樣比）
相對(duì)著色力1)（與標(biāo)準(zhǔn)樣比），%≥
在建材工業(yè)中氧化鐵主要用于彩色水泥、彩色水泥地磚、彩色水泥瓦、仿琉璃瓦、混凝土地磚、彩色灰漿、彩色瀝青、水磨石、馬賽克花磚、人造大理石及墻面粉刷等；用于各種涂料著色和保護(hù)物質(zhì)，包括水性內(nèi)外墻涂料、粉末涂料等；也可適用于油性漆包括環(huán)氧、醇酸、氨基等各種底漆和面漆；也可用于玩具漆、裝飾漆、家具漆、電泳漆和磁漆。鐵紅底漆具有防銹功能，可以代替高價(jià)的紅丹漆，節(jié)約有色金屬。
(1)Fe2O3含量測(cè)定
1)重鉻酸鉀溶液測(cè)定法：準(zhǔn)確稱(chēng)取已干燥的樣品0.2～0.3 g(精確 至0.0002 g)，置于500 mL錐形瓶中，加1：1鹽酸30 mL，加熱使其完全 溶解，并繼續(xù)加熱到微沸;然后滴加20%的氯化亞錫溶液至液體顏色 剛變?yōu)闊o(wú)色，再多加1滴;加入20 mL蒸餾水，冷卻至室溫。加入2% 的氯化汞溶液10 mL，搖蕩3 s，加入硫酸、磷酸混合酸[V(硫酸)：V(磷 酸)：V(蒸餾水)=150：150：700]20 mL及二苯胺磺酸鈉指示液(0.5% 的水溶液)5～7滴，用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至紫色保持30 s不變，即 為終點(diǎn)。
2)計(jì)算：
式中：V——耗用K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;
c——K2Cr2O7標(biāo)準(zhǔn)液的量濃度，mol/L;
79.85——Fe2O3的摩爾質(zhì)量，g/mol;
m——試樣質(zhì)量，g。
(2)顏料色光測(cè)定
測(cè)定工具：4#調(diào)墨油(亞麻仁油制)，描圖紙，刮刀(長(zhǎng)178 mm、寬 7～18 mm)，玻璃板，針筒。
用千分之一精度的天平準(zhǔn)確稱(chēng)取試樣與標(biāo)準(zhǔn)樣各1 g，分別置于 干凈的玻璃板上。用針筒抽取0.8 mL調(diào)墨油(或稱(chēng)0.6 g)，用刮刀將 樣品與油仔細(xì)調(diào)和，再用刮片用力刮使其成均勻之墨漿，直至無(wú)細(xì)粒 存在。再將標(biāo)準(zhǔn)樣用同法調(diào)成墨漿，用刮刀分別挑取標(biāo)準(zhǔn)樣與產(chǎn)品墨 漿少許，涂于描圖紙上，兩者相距約1 cm，用刮片均勻刮下，在室內(nèi)朝 北散射光線下比較色澤的差異。色光差異的分級(jí)為：近似、微、稍、較 四級(jí)。
毒性防護(hù)及貯運(yùn)：非危險(xiǎn)品。存放于干燥處，以防止受潮。與酸、 堿性物品隔離。
可分為干法和濕法兩大類(lèi)。
(1)濕法
1)混酸法。主要原料是硝酸、硫酸和鐵皮，后者是工業(yè)加工鐵皮 的邊角料或機(jī)床加工后的廢鐵屑。生產(chǎn)過(guò)程分為晶種制備和鐵鹽氧 化兩步，晶種由硝酸和鐵皮反應(yīng)制取。
A.反應(yīng)式：
總反應(yīng)式：
帶有不定量結(jié)晶水的三氧化二鐵懸浮體(Fe2O3·nH2O)呈橘紅色， 作為生產(chǎn)鐵紅的晶種。在晶種存在下，加入硝酸亞鐵溶液與廢鐵皮， 鼓入空氣進(jìn)行氧化。此時(shí)，硝酸亞鐵溶液中的Fe2+被空氣中的氧氧化 成氧化鐵，沉積在晶種上，同時(shí)生成的硝酸與鐵皮反應(yīng)生成硝酸亞鐵， 其中Fe2+再被氧化，如此不斷進(jìn)行。氧化鐵顆粒不斷成長(zhǎng)，顏色由淺 而深，達(dá)到所需色澤，氧化過(guò)程可終止。其氧化過(guò)程的反應(yīng)式可表示 為：
在氧化過(guò)程中，待料液達(dá)發(fā)膠階段，可加入硫酸亞鐵溶液補(bǔ)充 Fe2+。其反應(yīng)過(guò)程為：
氧化結(jié)束后，經(jīng)過(guò)篩、過(guò)濾、漂洗、干燥，得成品。
B.工藝流程：
a.硝酸亞鐵制備：鐵皮經(jīng)預(yù)處理，除去油污、雜質(zhì)等，放入反應(yīng)桶 ①(裝滿)，加水到一定液位(約為容器的1/2容積)。96%的硝酸用水 以1：2稀釋至32%左右，徐徐加入反應(yīng)桶內(nèi)。反應(yīng)溫度不超過(guò)60℃， 為防止局部過(guò)熱，引起硝酸分解，反應(yīng)中要用泵進(jìn)行料液循環(huán)，使料液 溫度均勻并降低溫度。反應(yīng)終點(diǎn)pH=3～4，硝酸亞鐵含量15%左右， 然后送澄清桶備用。
b.硫酸亞鐵制備：在反應(yīng)桶②中裝滿鐵皮，再加水，然后徐徐加入 98%濃硫酸。m(水)：m(濃硫酸)=4：1，反應(yīng)將停止時(shí)通蒸汽升溫至 95℃，使余酸繼續(xù)反應(yīng)至pH=4～6結(jié)束，F(xiàn)eSO4·7H2O含量達(dá)500 g/L， 移入澄清桶備用。
c.晶種制備：在晶種桶內(nèi)先放水，通入蒸汽加熱，同時(shí)放入拉松的 鐵皮(滿桶)，加入32%的硝酸，V(稀硝酸)：V(水)≈1：6。其中約2/3 的硝酸在3 h內(nèi)慢慢加入，反應(yīng)溫度在90～95℃，溫度變化不要過(guò)大， 以免晶種老化，活潑性能變差，氧化時(shí)收率低而單耗高。在冷卻到 87℃時(shí)，將余下的1/3左右的酸以較快速度加入，待反應(yīng)趨緩后(約 20 min后)續(xù)加余酸，前后加酸時(shí)間共約3.5 h。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到pH= 2～3，制得的晶種為色澤呈橘紅色漿狀，且8 h內(nèi)不沉淀。
將晶種與制備好的硝酸亞鐵同時(shí)加入氧化桶(桶內(nèi)裝滿鐵皮)，晶 種液投入量約為氧化桶有效容積的1/3，硝酸亞鐵溶液的投加量約為 有效容積的1/4，桶內(nèi)硝酸亞鐵的含量約為0.3%～4%。投料后同時(shí) 通蒸汽和空氣，保持氧化溫度在80～85℃。當(dāng)升溫到80℃時(shí)測(cè)定硝酸 亞鐵的含量應(yīng)在3%～4%，不足時(shí)需補(bǔ)加。氧化48 h后，料液中硝酸 亞鐵的含量約0.3%，且料液已達(dá)到發(fā)膠階段，應(yīng)立即加硫酸亞鐵溶解 (FeSO4·7H2O含量為50%)，并測(cè)定料液中的硫酸亞鐵含量在4%～ 5%左右。繼續(xù)氧化30 h左右，將亞鐵含量控制在1%。在此期間應(yīng) 經(jīng)常補(bǔ)加蒸發(fā)掉的水，保持一定液位(離桶口約20 cm)。氧化至90 h 后開(kāi)始取樣檢驗(yàn)色光，每4 h一次，直到色光接近標(biāo)準(zhǔn)，放料。當(dāng)色光 接近標(biāo)準(zhǔn)，料液中亞鐵在0.5%左右時(shí)，補(bǔ)加少量15%的硝酸亞鐵溶 液，以便亞鐵溶液耗盡為止準(zhǔn)備出料。在氧化過(guò)程必須嚴(yán)格控制亞鐵 [包括Fe(NO3)2和FeSO4]濃度，不允許在反應(yīng)過(guò)程中將Fe2+耗盡，否 則色光發(fā)暗。氧化過(guò)程中盡可能通入大量空氣，以保證反應(yīng)桶中粒子 不沉淀并反應(yīng)充分。氧化桶放出料漿應(yīng)經(jīng)篩網(wǎng)過(guò)篩，除去未反應(yīng)的鐵 屑等，再漂洗、壓濾，濾餅在150～200℃下干燥，粉碎為成品。
2)硫酸-硫酸亞鐵法。用硫酸與鐵皮(或鐵屑)制備成硫酸亞鐵， 或用工業(yè)副產(chǎn)物硫酸亞鐵結(jié)晶為原料，采用濕法制取鐵紅。主要過(guò)程 是晶種制備和氧化過(guò)程。
A.反應(yīng)式：
B.工藝流程：基本流程與混酸法相似，示意如下。
a.晶種制備：用硫酸亞鐵與氫氧化鈉反應(yīng)生成氫氧化亞鐵沉淀， 在堿性條件下經(jīng)空氣氧化為氫氧化鐵，呈紅棕色的膠狀懸浮體，作為 生產(chǎn)氧化鐵紅的晶種。
若硫酸亞鐵溶液的濃度過(guò)高或氧化時(shí)間較長(zhǎng)，則晶種較稀薄，晶 粒大，形成不了膠態(tài)溶液。一般制備成50～60 g/L FeSO4·7H2O溶液， pH=2～3，放入晶種桶。在攪拌下加入5%左右的氫氧化鈉溶液，氫氧 化鈉與硫酸亞鐵的摩爾比，一般為2～1.1之間，并保持母液中余堿量 在0.3～0.5 g/L，pH在9～12范圍。pH過(guò)小和過(guò)大都不能形成鐵紅 晶種。在常溫下鼓入空氣，空氣量充足才能得到膠狀紅棕色晶種，且 不易沉降?？諝饬坎蛔銜r(shí)容易生成鐵黑。一般工廠中空氣用量在 0.7 m3/min左右。晶種氧化的反應(yīng)溫度最好在10～20℃，若溫度超過(guò) 40℃，即使適當(dāng)?shù)膒H和空氣量也會(huì)使晶種變黑(成為Fe3O4)，失去載 體作用。為了提高晶種穩(wěn)定性，改善鐵紅的色光，在晶種制備液中可 加入晶型轉(zhuǎn)化的促進(jìn)劑，使晶格發(fā)生變化，粒度分布窄小，這樣可使色 光純正。常用的促進(jìn)劑有碳酸鈣、硫酸鎂、磷酸鹽等，目前用磷酸鹽的 工廠較多些。在常溫下，晶種制備約1～2 h即成，然后移入氧化桶。
b.氧化過(guò)程：在此階段，硫酸亞鐵被氧化成高鐵鹽，后者水解，再 脫水成Fe 2O3沉淀于晶種表面，使晶體長(zhǎng)大。隨著粒子不斷增大，顏 色會(huì)逐漸轉(zhuǎn)成鮮艷而變深，同時(shí)水解時(shí)生成的硫酸與鐵皮作用生成 FeSO4，再被氧化成高鐵鹽而水解。
在氧化桶內(nèi)裝滿鐵皮(或鐵屑)，鐵皮應(yīng)拉松并去掉雜質(zhì)，而且屬 低碳鋼的加工廢料。加入硫酸亞鐵溶液，亞鐵含量在50～70 g/L。晶 種液用稀硫酸中和呈偏酸性pH=6左右，再加入氧化桶。若晶種量過(guò) 少，鐵紅形成速度過(guò)快，則單位產(chǎn)量偏低，原料消耗增加，且色光進(jìn)展 快，質(zhì)量不易控制。若晶種量過(guò)多，鐵紅形成速度較慢，則單位產(chǎn)量高 些，原料消耗也少些，但氧化后期料漿過(guò)分稠厚，將妨礙氧化過(guò)程的進(jìn) 行，影響色光的進(jìn)展。一般晶種加入量為氧化桶有效容積的1/4左右。 氧化溫度宜保持在80～85℃。若氧化溫度偏高，鐵紅成熟快，產(chǎn)量低， 色光偏紫相;若氧化溫度偏低，氧化時(shí)間長(zhǎng)，色光不鮮艷。若空氣量 大，則反應(yīng)較充分，單位產(chǎn)量高，顏色較純正。所以氧化過(guò)程中應(yīng)盡量 加大氣量，切不能停氣。在色光達(dá)到與標(biāo)準(zhǔn)樣品相似后，停止氧化，經(jīng) 過(guò)篩、漂洗、過(guò)濾，在150～200℃下干燥，即得成品。
(2)干法
主要有鐵黃粉熱分解法、硫酸亞鐵熱分解法和硫酸亞鐵-純 堿法。
1)鐵黃粉熱分解法。將干燥的鐵黃粉在煅燒爐(回轉(zhuǎn)爐)中，在 500～600℃下煅燒，時(shí)間約40～60 min，得棕色氧化鐵紅，經(jīng)冷卻、過(guò) 篩，即為成品。
2)硫酸亞鐵熱分解法。將硫酸亞鐵在轉(zhuǎn)窯或馬弗爐中，于700～ 800℃高溫下脫水、氧化煅燒，生成氧化鐵，經(jīng)水洗除去可溶物，再過(guò) 濾、干燥、粉碎、篩分，得鐵紅成品。
3)硫酸亞鐵-純堿法。硫酸亞鐵與碳酸鈉在高溫下反應(yīng)，可制得 鐵紅和芒硝。
B.工藝流程：
將碳酸鈉與硫酸亞鐵按n(Na2CO3)：n(FeSO4·7H2O)=1：1.25混 合，磨細(xì)后投入焙燒爐，焙燒溫度為700℃(溫度過(guò)高Na2CO3易分解)。 焙燒料在室溫下用水浸取，使Na2SO4溶解。然后經(jīng)過(guò)濾(濾餅可先用 2 mol/L的H2SO洗滌，以除去殘留的Na2CO3)，再用水洗滌，在150～ 200℃下干燥，即得鐵紅產(chǎn)品?；?yàn)V液經(jīng)蒸發(fā)濃縮后，得NaSO4·10H2O。
(3)原料消耗定額，
生產(chǎn)1 t產(chǎn)品約消耗：
原料
硫酸(按100%計(jì))
硝酸(100%計(jì))
混酸法/t
0.08
0.35
硫酸-硫酸亞鐵法/t
—
—
干法/t
—
—
硫酸亞鐵
(98% FeSO4·7H2O)
—
0.7
2.3
燒堿(98%)
鐵皮
—
0.9
0.13
1
1.75(碳酸鈉)
—
產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB1863—80，代號(hào)H101、H102、H103。
用于塑料制品的著色，如熱固性塑料和熱塑性塑料，及橡膠制品的著色，如汽車(chē)內(nèi)胎，飛機(jī)內(nèi)胎，自行車(chē)內(nèi)胎等。用于高級(jí)精磨材料，使用于精密的五金儀器、光學(xué)玻璃等的拋光。高純度的是粉末冶金的主要基料，用來(lái)冶煉各種磁性合金和其他高級(jí)合金鋼。由硫酸亞鐵或氧化鐵黃或下腳鐵混經(jīng)高溫煅燒而得，或直接從液體介質(zhì)中制成。
添加劑中文名稱(chēng)
允許使用該種添加劑的食品中文名稱(chēng)
添加劑功能
最大允許使用量（g/kg）
最大允許殘留量（g/kg）
氧化鐵
食品
食品工業(yè)用加工助劑
/
一般應(yīng)在制成最后成品之前出去，有規(guī)定食品中殘留量的除外
用途
主要用作磁性材料、顏料、擦光劑、催化劑等，還用于電訊、儀表工業(yè)
類(lèi)別
自燃物品
可燃性危險(xiǎn)特性
空氣中易自燃; 遇氧化劑放出硫化氫、二氧化硫、氰化氫等有毒氣體
儲(chǔ)運(yùn)特性
庫(kù)房通風(fēng)低溫干燥; 與酸、氧化劑分開(kāi)存放
滅火劑
霧狀水、砂土、泡沫
氧化鐵
上下游產(chǎn)品信息
上游原料
下游產(chǎn)品