一种在热硫化条件下制取黄铁矿晶体的方法

摘要

本发明提供了一种在热硫化条件下制取黄铁矿晶体的生产方法。其特征在于：该生产方法是以FeS与S为主要原料，将FeS粉末与S粉末以一定比例混合后研磨，然后进行反应；在负压及加热条件下，得到结晶好，成分单一的黄铁矿。本发明的目的在于使FeS与S能够更加容易反应，且反应充分，进而提高人工制取黄铁矿的纯度，简化工艺。

说明书

一、技术领域：本发明涉及一种矿物晶体的制取方法，尤指一种 黄铁矿晶体的制取方法。

二、背景技术：黄铁矿是地壳中常见的硫化物之一，在多种地质 条件下都有形成。随着矿物学与其他学科的交叉与融合，黄铁矿在环 境评价与治理、矿物材料等领域均有应用。但天然黄铁矿杂质含量很 高，因而不能满足使用要求。通过人工制取高纯度的黄铁矿就成为解 决这一问题的重要途径。但是在传统理论和实践中，人们重点关注的 是水热条件下黄铁矿晶体的生长情况，一些学者通过水热实验发现， 温度、过饱和度、氧逸度和硫逸度对黄铁矿晶体的形貌均有深刻影响， 因而造成黄铁矿晶体的制取过程复杂且纯度难以控制。通过现代实验 方法，开展不同条件下黄铁矿晶体的生长研究，系统考察不同条件下 黄铁矿形成的基本条件、结晶生长过程，在黄铁矿成因矿物学研究、 地质条件分析与判定、黄铁矿晶体材料制备研究等方面均有理论实际 意义，但在之前的报道中，对于在热硫化条件下黄铁矿的生长机制方 面没有研究及实践先例。

三、发明内容：

1、发明目的：本发明提供一种黄铁矿晶体的制取方法，其目的在 于使FeS与S反应更加容易、充分，避免原料的浪费，便于生成纯度 较高且结晶良好的黄铁矿。

2、技术方案：

一种在热硫化条件下制取黄铁矿晶体的方法，其特征在于：该方 法是以FeS与S为主要原料，采取如下步骤：

(1)将FeS磨成粉末，与S粉末混合均匀后研磨，FeS与S物质的量 比为0.5～1.5∶1.5～2.5；

(2)称取一定量的混合粉末装入坩埚内并加盖，放到真空管式炉内加 热区，抽成真空；

(3)将混合物加热，加热温度范围200～600℃，时间30～70h；升温 速度3～7℃/min；

(4)自然降温冷却至室温，得到黄铁矿晶体。

上述第(1)步的混合粉末较佳值选取FeS与S物质的量比为1∶2。

上述第(2)步的真空度为0～-0.1Mpa。

上述第(3)步的加热范围较佳值选取410℃，时间较佳值选取50h， 升温速度较佳值选取5℃/min。

3、优点及效果：通过本发明技术方案的实施，可以避免传统工艺 的复杂过程，使FeS与S可以更加容易并充分的反应，减少原料的浪 费，同时很好的控制黄铁矿结晶形貌及纯度，降低成本。

四、附图说明

图1为不同温度条件黄铁矿的SEM图；

图2为采用X′Pert Pro多晶X射线衍射仪进行物相测试的XRD图 谱。

图3为采用X′Pert Pro多晶X射线衍射仪进行物相测试的XRD图 谱

五、具体实施方式：

本发明的制备方法如下：

实施例1：

将FeS磨成粉末，与S粉末混合均匀后研磨，FeS与S物质的量比 为＝1∶2，称取一定量的混合粉末装入坩埚内并加盖，放到真空管式炉 内加热区，抽成真空。加热到250℃～280℃，时间50h；升温速度5 ℃/min，实验结束自然降温冷却，得到黄铁矿晶体样品。用SSX-550 扫描电子显微镜观测实验样品形貌，此时黄铁矿颗粒无固定形貌。

实施例2：

将FeS磨成粉末，与S粉末混合均匀后研磨，FeS与S物质的量比 为0.5∶1.6，称取一定量的混合粉末装入坩埚内并加盖，放到真空管式 炉内加热区，抽成真空。加热到310℃，时间40h；升温速度6℃/min， 实验结束自然降温冷却，得到黄铁矿结晶样品。用SSX-550扫描电子 显微镜观测实验样品形貌，此时黄铁矿颗粒具有了颗粒雏形。

实施例3：

将FeS磨成粉末，与S粉末混合均匀后研磨，FeS与S物质的量比 为0.7∶1.9，称取一定量的混合粉末装入坩埚内并加盖，放到真空管式 炉内加热区，抽成真空。加热到340℃，时间60h；升温速度6℃/min， 实验结束自然降温冷却，得到黄铁矿晶体样品。用SSX-550扫描电子 显微镜观测实验样品形貌，此时黄铁矿颗粒晶形显现，可见到部分颗 粒已经生长出晶面。

实施例4：

将FeS磨成粉末，与S粉末混合均匀后研磨，FeS与S物质的量比 为1.1∶2.3，称取一定量的混合粉末装入坩埚内并加盖，放到真空管式 炉内加热区，抽成真空。加热到360℃，时间60h；升温速度5℃/min， 实验结束自然降温冷却，得到黄铁矿晶体样品。用SSX-550扫描电子 显微镜观测实验样品形貌，此时黄铁矿普遍生长成较为完好的晶体， 晶体密集分布，粒度均匀。

实施例5：

将FeS磨成粉末，与S粉末混合均匀后研磨，FeS与S物质的量比 为1.4∶2.5，称取一定量的混合粉末装入坩埚内并加盖，放到真空管式 炉内加热区，抽成真空。加热到380℃，时间50h；升温速度6℃/min， 实验结束自然降温冷却，得到黄铁矿晶体样品。用SSX-550扫描电子 显微镜观测实验样品形貌，此时黄铁矿已经生长成完好的晶体，可见 立方体、八面体等自形晶，且晶面光洁完好。

实施例6：

将FeS磨成粉末，与S粉末混合均匀后研磨，FeS与S物质的量比 为1.1∶2.4，称取一定量的混合粉末装入坩埚内并加盖，放到真空管式 炉内加热区，抽成真空。加热到410℃，时间70h；升温速度6℃/min， 实验结束自然降温冷却，得到黄铁矿晶体样品。用SSX-550扫描电子 显微镜观测实验样品形貌，此时形成结晶好，成分单一的黄铁矿。

热硫化法是在天然黄铁矿生长机理研究基础上提出的实验方法， 采用反应物固体粉末混合加热，通过气—固反应，实现黄铁矿的结晶 生长。

实验反应原理：

                  Fe+S→FeS

                 FeS+S→FeS₂

依据化学热力学数据计算：

                    FeS     +    S      ＝    FeS₂

ΔH₂₉₈^θ(kJ/mol)：  -95.06       0            -177.9

ΔS₂₉₈^θ(J/mol·K)：67.36        31.88        53.14

所以，反应的${\mathrm{\Delta H}}_{298}^{\theta }=-177.9-(-95.06)=82.84\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$${\mathrm{\Delta S}}_{298}^{\theta }=53.14-(67.36+31.88)=-46.1J/\mathrm{mol}·K$

从以上计算可以看出，FeS与S反应是焓减，熵减过程，在加热到 一定温度条件下可以生成黄铁矿。

在制取过程中，将FeS粉末与S粉末混合研磨是为了产生更大接 触面积，有利于反应，避免浪费。传统工艺中，将FeS粉末与S粉末 分开放置进行反应，由于S的气化温度低于FeS，导致当FeS达到反应 温度时，S粉末已经挥发，造成反应的不充分以及原料的浪费。

在真空条件下进行制取是防止产生氧化物，保证所取得的黄铁矿 的纯度。

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1中1-1为250℃时黄铁矿的SEM图，1-2为280℃时黄铁矿的 SEM图，1-3为310℃时黄铁矿的SEM图，1-4为340℃时黄铁矿的SEM 图，1-5为360℃时黄铁矿的SEM图，1-6为380℃时黄铁矿的SEM图， 分析图1可以看出，在热硫化条件下，温度对黄铁矿结晶生长有重要 影响，不同温度条件下黄铁矿的结晶生长程度有明显差异；低温条件 下，形成黄铁矿的同时，伴有其他杂质成分，在250℃～410℃时均可 形成黄铁矿，但250℃～280℃时黄铁矿结晶程度较差；310℃～340℃ 时，黄铁矿结晶能力加强，可生长出部分晶面；360℃时，黄铁矿生长 成较为完好的晶体；380℃时，黄铁矿结晶成立方体、八面体等自形晶 体，410℃时形成结晶好，成分单一的黄铁矿。实验总体表现出随着温 度升高，黄铁矿晶体形貌越来越完善的变化规律。

附图2、3为采用X′Pert Pro多晶X射线衍射仪进行物相测试的 XRD图谱。分析解读附图2、3的XRD图谱可以看出，热硫化条件下， 温度对黄铁矿形成的影响比较明显。250℃～340℃硫化时，样品中黄 铁矿的(200)、(210)和(311)衍射峰已经开始出现，但是样品的结晶状 况较差，衍射峰的强度较弱，峰形宽化严重，并伴有其它杂相存在； 当硫化温度升高到360℃时，样品中出现了黄铁矿的所有特征衍射峰 (111)、(200)、(210)、(211)、(220)和(311)，这说明已明显转变成 黄铁矿；410℃时，杂相已经消失，黄铁矿特征衍射峰强度增加。可 以看出，随着温度不断升高，黄铁矿相的(222)、(320)、(321)等衍射 峰也相继出现，并且所有衍射峰相对强度都有所升高。