《磁铁腐蚀颗粒的形成.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁铁腐蚀颗粒的形成.doc（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、磁铁腐蚀颗粒的形成：在水质媒介中铁粉与人工颗粒-, - 和-FeOOH反应Hidekazu Tanaka 1, Ryohei Mishima 1, Nagisa Hatanaka 1, Tatsuo Ishikawa 2, Takenori Nakayama31. 毕业于松江大学科学工程学院化学系，日本岛根県松江市690-8504西川津町1060。2. 毕业于大阪教育大学化学系，日本大阪582-8582南阳市旭丘4-698-1。3. 材料研究实验室，日本川崎651-2271神户西区高冢台1丁目5-5，神户钢铁公司。*责任作者。电话/传真：+81 852 32 6823 邮箱地址：hidekaz
2、uriko.shimane-u.ac.jp(田中)本文信息：论文历史：于2013年7月7日投稿于2013年8月28日通过于2013年9月5日上传网络关键词：1、 钢铁1、铁 2、 透射电镜（TEM）2、 X射线3、 大气侵蚀3、腐蚀摘要：为了模拟钢铁大气侵蚀，实验将磁铁（Fe3O4）置于含有铁粉（(-Fe）和人工颗粒（-、- 和-FeOOH）的水质媒介中，在PH为6.0温度50的环境下放置24小时。Fe3O4并不是用-FeOOH颗粒处理铁粉使之发生反应。而是用- 和-FeOOH试铁粉，然后这些材料会溶解来促使Fe3O4和-FeOOH颗粒发生反应。Fe3O4形成的数量排序表现为-FeOOH-Fe
3、OOH-FeOOH，与FeOOH的浓度和溶解性紧密相关。简介： 钢铁的大气腐蚀产物由-, -, -FeOOH, Fe3O4和劣质结晶氧化铁组成，其成分大大取决于对环境的接触1。铁锈中-FeOOH形成于含有Cl-元素的环境，例如将CaCl2 和 MgCl2作为防冻剂和融雪剂的地区；以及空气中含有氯化物的海洋地区1,2。腐蚀产物-, -FeOOH主要产生于含有NOX 和SOX的大气中，比如煤矿区和工业区3。而Fe3O4形成于所有环境3。据埃文斯和史特拉特曼等的研究报告表明，在夜晚潮湿条件下，Fe3O4形成于两条路径：（1）钢铁溶解产生的电子与FeOOH发生反应；（2）在结露水肿FeOOH与Fe2+
4、发生反应4-7。在白天干燥的环境下，夜晚形成的Fe3O4与O2和H2O发生反应产生FeOOH腐蚀物。这种湿-干循环反应被称为埃文斯模式。此外，Fe3O4的形成与钢铁锈层的抗腐蚀性有关。豪等人研究了在模拟沿海和沿海工业大气的条件下，大气腐蚀物MnCuP对钢铁的侵蚀。他们发现，随着-FeOOH增加和Fe3O4的减少，锈层的抗腐蚀性有所提高。另外，钱等人的报告表明，在海水湿、干循环条件下增加单宁酸会抑制软钢锈成分Fe3O4的形成10。因此，研究Fe3O4的形成对阐明钢铁的锈层在大气腐蚀中的增长是很重要的。为此，许多研究人员调查研究了FeOOH颗粒中锈成分Fe3O4的形成。他们认为，-FeOOH在钢铁
5、的腐蚀初期形成，然后转化为Fe3O44-7,11。Olowe和他的合作研究者认为，是FeOOH和Fe2+发生化学反应产生Fe3O412。田村等的研究报告表明，在PH7的水质媒介中，-FeOOH会与Fe2+溶液发生化学反应，而-FeOOH则不会发生该化学反应13。石川等在实验中将-, -, -FeOOH颗粒置于FeCl2溶液中，PH范围3-13，合成Fe3O4，并指出Fe3O4的产量表现为-FeOOH-FeOOH-FeOOH，与在酸性媒介中FeOOH的溶解度紧密联系14。另外，安东尼等的报告表明，在25环境下通过电化学还原使-FeOOH转化成Fe3O415。然而上述研究都没有充分考虑钢铁的分解。
6、因为在水质媒介中铁粉的溶解会形成Fe2+和电子，因此使用铁粉能给钢铁锈成分Fe3O4的增长提供有用的信息，这样就能进一步阐明锈成分Fe3O4的形成细节。该论文的研究目的在于阐明FeOOH和钢铁表面反应生产Fe3O4的过程。因此，我们将-, -, -FeOOH颗粒防雨含有铁粉（-Fe）的PH为6.0温度为50的水质媒介中放置24小时，通过XRD和TEM识别反应的产物。当前研究只用于阐明几类FeOOH对钢铁表面锈成分Fe3O4形成的影响。二、 实验1、 -, -, -FeOOH颗粒的合成-,FeOOH颗粒的合成：将1.0摩尔每立方分米的水质NaOH溶液倒入500毫升的1.0摩尔每立方分米的水质Fe
7、(NO3)3溶液中一直到PH=12，得到沉淀物后，在85下陈化120小时。-,FeOOH颗粒的合成：将300毫升的0.1摩尔每立方分米的FeCl3溶液在85温度下陈化24小时。-FeOOH颗粒的合成：通过对Fe2+溶液进行空气氧化。步骤如下：将空气以4立方分米每分钟的速度鼓入1000毫升0.02摩尔每立方分米的FeSO4溶液中，温度保持35，持续24小时。在此期间，将2.0摩尔每毫升的正丁胺滴入溶液中保持溶液PH值在6.0到6.5之间。然后将合成的-, -, -FeOOH颗粒过滤出来，用去离子蒸馏水洗，最后放在室温真空环境下干燥16小时。XRD和FTIR会确认这些FeOOH颗粒的纯度。所有化学
8、试剂均为试剂级别，购自和光化学有限责任公司，无需进一步提纯使用。2、 FeOOH颗粒和铁粉反应合成Fe3O4人工锈成分Fe3O4颗粒合成过程如下。将78.5毫克铁粉（即-Fe，纯度99.9%，颗粒平均大小45微米）和250毫克合成FeOOH颗粒分散放入100毫升的去离子蒸馏水中。此时，Fe/FeOOH的摩尔比为0.5。然后通过滴入0.1摩尔每立方分米浓度的NH4OH溶液将溶液PH调至6.0，温度保持50，静置24小时。将得到的颗粒过滤，用去离子蒸馏水洗后，放在室温真空环境中晾干16小时。3、 表征用XRD和TEM表征上述得到的材料。X射线粉末衍射（XRD）图由镍滤铜靶射线以30千伏15毫安作用
9、在衍射分析仪上呈现。扫描速度和步骤分别为2每分钟和0.01每分钟。离子形态由TOPCON透射电子显微镜以200千伏进行观察。三、 结果和讨论图示一：与-, -, -FeOOH反应后的产物数量和溶液pH值图。虚线表示FeOOH和铁粉的初始总重（328.5mg）以及溶液初始pH(6.0)。图示二：与-, -, -FeOOH反应前产物的XRD模型（a、c、e）以及反应后的XRD模型（b、d、f）。-,FeOOH（a、b）、-FeOOH（c、d）、-FeOOH（e、f）。图示一绘出了用-, -, -FeOOH颗粒在PH为6温度为50的水质媒介中作用24小时后产物的数量，以及之后溶液的PH值。用-, -
10、, -FeOOH颗粒反应得出的产物数量略低于原先FeOOH和铁粉的总量，即低于328.5毫克，由图中虚线标出。由此推出，减少的重量为FeOOH颗粒和/或铁粉的溶解。与-, -FeOOH反应的溶液PH值几乎未变，而与-FeOOH反应的溶液PH值从6.0升到8.2。该现象将会在下文中讨论。图示二展示了与-, -, -FeOOH颗粒反应前后产物的XRD图。图a体现了与-FeOOH反应前产物的分布，其中衍射峰为-FeOOH和-Fe。图b表明反应后XRD图没有明显的改变，也没有检测出新的衍射峰。根据图c和图d，与-FeOOH反应后，衍射峰-FeOOH和-Fe有所减弱，而在2 = 18.3、21.4、30
11、.2、33.4、35.6、36.8、43.1时出现新的衍射峰。这些信的衍射峰确认是Fe3O4和-FeOOH。根据图e和图f，-FeOOH的产物表现与-FeOOH的相似。另外，在PH为6.0温度50的条件下静置24小时但缺少铁粉与-, -, -FeOOH反应的产物中都没有形成Fe3O4。 这些结果表明，Fe3O4的形成需要-, -FeOOH和铁粉的发生反应。从XRD衍射的区域强度可以获得更多产物和FeOOH种类的定量关系。图示三描绘了对应的-, -, -FeOOH和-Fe衍射峰的区域强度，以及与三种FeOOH反应形成的Fe3O4和-FeOOH的区域强度。衍射峰-、-、-FeOOH、-Fe和Fe3
12、O4分别取值为（110）、（110）、（110）、（220）。为了计算对应区域强度，在反应前FeOOH和-Fe的强度被视为1.0。在与-FeOOH反应的产物中，其对应的-FeOOH和-Fe衍射峰的区域强度略微下降。在与-、-FeOOH反应的产物中，其对应的-、-FeOOH和-Fe衍射峰区域强度下降。请注意，与-、-FeOOH反应的产物-Fe溶解的数量要比与-FeOOH反应时的大得多。这表示-、-FeOOH颗粒的存在加大了铁粉在水质媒介中的溶解。并且，与-FeOOH反应的产物Fe3O4衍射峰的区域强度比与-FeOOH反应的大。这些结果表明，FeOOH的类型大大影响了Fe3O4的形成，其影响程度顺
13、序为：-FeOOH-FeOOH-FeOOH。然而，与-和-FeOOH反应的产物中没有识别出-FeOOH衍射峰区域强度的显著差别。图示三：A图为对应的FeOOH（初始材料）和-Fe的区域强度，B图为形成的-FeOOH和Fe3O4的区域强度。图示四为初始-、-、-FeOOH的TEM图（a-c）和与之反应后产物的TEM图（d、e、e、f、f），其中e、f分别为磁化的e、f。-FeOOH（d）、-FeOOH（e、e）、-FeOOH（f、f）。 图示四展示了与-、-、-FeOOH反应的产物和没有加入-、-、-FeOOH的产物的TEM图。作为对比，原本-、-、-FeOOH颗粒分别由图片、显示。其中-和-F
14、eOOH颗粒表现为针状，-FeOOH颗粒表现为棒状。根据图d，-FeOOH颗粒形态在反应后没有较大改变，也未发现新的颗粒出现。根据图e和e，在与-FeOOH反应的产物中，除了发现-FeOOH颗粒外，还有大小为大小为180nm左右的立方体Fe3O4颗粒，长度为600nm左右的针状-FeOOH颗粒。根据图f和f，与-FeOOH反应的产物中可以观察到Fe3O4和-FeOOH颗粒的形成。请注意，与-FeOOH反应得到的Fe3O4颗粒比从-FeOOH反应得到的要少50nm左右，再一次说明了-FeOOH对铁粉的反应活性比-FeOOH对铁粉的要高。之前提到的结果显示，-和-FeOOH颗粒与铁粉在水质媒介中反
15、应会产生Fe3O4颗粒。埃文斯和等人的报告中指出，FeOOH和钢铁表面在夜晚的潮湿条件下发生反应产生铁锈成分Fe3O4。其过程如下4-7：FeFe2+ + 2e- （1）3FeOOH + H+ + e-Fe3O4 + 2H2O （2）2FeOOH + Fe2Fe3O4 + 2H+ （3）Fe2 + 8FeOOH + 2e-3Fe3O4 + 4H2O （4）通过化学反应（1），钢铁溶解生成和电子（e-）。然后电子和质子（H+）和FeOOH经过化学反应（2）形成Fe3O4。同时，溶解的Fe2+和FeOOH经过化学反应（3）形成Fe3O4。总的Fe3O4形成过程可以用化学反应（4）表示。因此，Fe3O4的形成是通过FeOOH的减少和FeOOH和Fe2+发生反应而进行的。该研究会出现类似的化学反应。有趣的是，与-, -FeOOH反应的产物中有的Fe3O4形成，而与-FeOOH反应的产物中却没有。它似乎与FeOO
