本发明涉及一种一步法制备纳米无水磷酸铁的方法，属于锂电池新能源材料领域。
背景技术：
：磷酸铁，又名磷酸高铁、正磷酸铁，分子式为fepo4，是一种白色、灰白色单斜晶体粉末。是铁盐溶液和磷酸钠作用的盐，其中的铁为正三价。其主要用途在于制造磷酸铁锂电池材料、催化剂及陶瓷等。高纯度的二水磷酸铁的颜色为近白色或浅(淡)黄白色粉末，随着结晶水的丢失，颜色逐渐变黄，纯无水物呈黄白色粉末。二水物磷酸铁中磷(p)超标时外观呈灰白色或暗灰白色；如铁超标时呈暗黄色。磷铁比是衡量磷酸铁品质最关键的指标，也是决定磷酸铁锂品质最关键的因素。磷酸铁中如存在大量的二价铁或钠、钾、硫酸根、铵根离子时，二水磷酸铁则呈暗黑色或灰白色。振实密度：1.13～1.59g/cm3，松装密度0.75～0.97g/cm3。加热时易容于盐酸，但难溶于其它酸，几不溶于水、醋酸、醇。在自然界中以蓝铁矿形式存在。目前无水磷酸铁的制备均为磷酸盐与铁盐反应得到二水磷酸铁，再经过高温煅烧(一般温度为500-600℃)脱去两个结晶水得到无水磷酸铁，由于高温煅烧，导致无水磷酸铁的比表面积急剧降低，且煅烧过程能耗高，据实际生产，每吨无水磷酸铁消耗电能3500-5500度电，且对设备要求高，工艺繁琐，烧结过程会造成磷的挥发损失，从而使得铁磷比升高，且容易造成产品的污染。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供了一种一步法制备纳米无水磷酸铁的方法，工艺简单，成本低，得到的无水磷酸铁为纳米颗粒，分散性好，纯度高，杂质含量低，铁磷比能够精确控制，且生产效率高。本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：一种一步法制备纳米无水磷酸铁的方法，其为以下步骤：(1)羰基铁的制备，将炼钢厂产生的氧化铁红废料放入密封反应釜内，通入co，在温度为300-350℃，压力为5-6个大气压下反应5-6小时，然后降低温度为200℃，压力提升至150-200atm,继续通入co反应2-3小时后，将压力缓慢释放，同时将释放出的气体冷却至温度为70-85℃，得到的液体为羰基铁，将收集得到的羰基铁再冷却到温度为15-25℃；(2)将磷酸恒温至温度为70-95℃，然后将羰基铁与磷酸同时喷雾至反应釜内，喷雾采用的气体为空气，同时采用微波加热反应釜使得反应釜内的温度为250-350℃，压力维持在2-2.2个大气压，同时维持物料的反应时间为30-60min,反应釜与旋风收尘装置连接，维持旋风收尘装置内的温度为150-180℃，然后收集旋风收尘装置内的物料，经过真空包装得到纳米无水磷酸铁。所述步骤(2)喷入反应釜内的磷酸与羰基铁的摩尔比为1.02-1.05：1，喷雾时采用的空气的压力为3-4个大气压，磷酸雾滴和羰基铁雾滴的粒径为5-10微米，羰基铁在反应釜底部喷雾，磷酸在反应釜顶部喷雾。所述步骤(2)在羰基铁与磷酸进行喷雾时，同时从反应釜底部鼓入空气，鼓入空气的流速为3-5m/s，每小时鼓入的空气量为反应釜总体积的1-1.5倍。所述步骤(2)中反应釜的球形结构，反应釜与旋风收尘装置的连接处设置在反应釜的中部。每次加入的磷酸和羰基铁的总质量与反应釜体积的比为3-6kg/m3，羰基铁与磷酸喷雾至反应釜内的时间为30-60min。本发明采用羰基铁与磷酸在高温下通过喷雾反应，可以一步得到无水磷酸铁，避免了高温煅烧等步骤，节约了能耗，且通过喷雾的方式得到的无水磷酸铁为纳米颗粒，分散性好，纯度高，无阴离子(如硫酸根、氯离子等)污染，且利用废钢厂的氧化铁红废料作为铁源，成本低，无废水产生，为绿色环保的工艺，生产效率高。最终得到的产品检测结果如下：指标铁磷比主含量d10d50d90数值0.99-1.01>99.9％50-70nm150-250nm350-450nmd100camgnanico＜700nm2-5ppm3-5ppm1-5ppm0.5-1ppm0.1-0.5ppmmnzncutialsi2-5ppm1-3ppm0.1-0.5ppm0.1-0.5ppm1-2ppm1-2ppm振实密度硫酸根氯离子bet一次粒径高温水分1.0-1.2g/ml1-2ppm2-3ppm20-25m2/g10-15nm<1％本发明采用废钢厂的氧化铁红废料作为铁源，成本低，每吨此废料的价格在500-1000元，而相对于废铁皮或者铁粉，价格低很多，通过在高温下还原得到铁粉，再在高压下实现铁粉的羰基化，然后将释放出的气体冷却至温度为70-85℃，得到的液体为羰基铁，再冷却到温度为15-25℃，便于保存，在70-85℃收集羰基铁，可以分离其中的少量的羰基镍和羰基钴等杂质，提高纯度。然后将磷酸加热，降低其黏度，再在高温下喷雾反应，同时鼓入空气，使得羰基铁分解得到铁粉，铁粉再与磷酸和空气反应得到高分散性的无水纳米磷酸铁，纯度高且直接得到无水磷酸铁，没有废水排出。本发明的有益效果是：1.工艺简单，无废水排出。2.一步法得到无水磷酸铁，成本低，工艺简单，纯度高。具体实施方式以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明，本实施例的一种一步法制备纳米无水磷酸铁的方法，其为以下步骤：(1)羰基铁的制备，将炼钢厂产生的氧化铁红废料放入密封反应釜内，通入co，在温度为300-350℃，压力为5-6个大气压下反应5-6小时，然后降低温度为200℃，压力提升至150-200atm,继续通入co反应2-3小时后，将压力缓慢释放，同时将释放出的气体冷却至温度为70-85℃，得到的液体为羰基铁，将收集得到的羰基铁再冷却到温度为15-25℃；(2)将磷酸恒温至温度为70-95℃，然后将羰基铁与磷酸同时喷雾至反应釜内，喷雾采用的气体为空气，同时采用微波加热反应釜使得反应釜内的温度为250-350℃，压力维持在2-2.2个大气压，同时维持物料的反应时间为30-60min,反应釜与旋风收尘装置连接，维持旋风收尘装置内的温度为150-180℃，然后收集旋风收尘装置内的物料，经过真空包装得到纳米无水磷酸铁。所述步骤(2)喷入反应釜内的磷酸与羰基铁的摩尔比为1.02-1.05：1，喷雾时采用的空气的压力为3-4个大气压，磷酸雾滴和羰基铁雾滴的粒径为5-10微米，羰基铁在反应釜底部喷雾，磷酸在反应釜顶部喷雾。所述步骤(2)在羰基铁与磷酸进行喷雾时，同时从反应釜底部鼓入空气，鼓入空气的流速为3-5m/s，每小时鼓入的空气量为反应釜总体积的1-1.5倍。所述步骤(2)中反应釜的球形结构，反应釜与旋风收尘装置的连接处设置在反应釜的中部。每次加入的磷酸和羰基铁的总质量与反应釜体积的比为3-6kg/m3，羰基铁与磷酸喷雾至反应釜内的时间为30-60min。实施例1一种一步法制备纳米无水磷酸铁的方法，其为以下步骤：(1)羰基铁的制备，将炼钢厂产生的氧化铁红废料放入密封反应釜内，通入co，在温度为335℃，压力为5.3个大气压下反应5.5小时，然后降低温度为200℃，压力提升至176atm,继续通入co反应2.4小时后，将压力缓慢释放，同时将释放出的气体冷却至温度为81℃，得到的液体为羰基铁，将收集得到的羰基铁再冷却到温度为19℃；(2)将磷酸恒温至温度为79℃，然后将羰基铁与磷酸同时喷雾至反应釜内，喷雾采用的气体为空气，同时采用微波加热反应釜使得反应釜内的温度为298℃，压力维持在2.1个大气压，同时维持物料的反应时间为55min,反应釜与旋风收尘装置连接，维持旋风收尘装置内的温度为175℃，然后收集旋风收尘装置内的物料，经过真空包装得到纳米无水磷酸铁。所述步骤(2)喷入反应釜内的磷酸与羰基铁的摩尔比为1.04：1，喷雾时采用的空气的压力为3.5个大气压，磷酸雾滴和羰基铁雾滴的粒径为7微米，羰基铁在反应釜底部喷雾，磷酸在反应釜顶部喷雾。所述步骤(2)在羰基铁与磷酸进行喷雾时，同时从反应釜底部鼓入空气，鼓入空气的流速为4.1m/s，每小时鼓入的空气量为反应釜总体积的1.3倍。所述步骤(2)中反应釜的球形结构，反应釜与旋风收尘装置的连接处设置在反应釜的中部。每次加入的磷酸和羰基铁的总质量与反应釜体积的比为4kg/m3，羰基铁与磷酸喷雾至反应釜内的时间为40min。最终得到的产品检测结果如下：指标铁磷比主含量d10d50d90数值0.99799.91％55nm195nm390nmd100camgnanico650nm2.5ppm3.5ppm2ppm0.7ppm0.25ppmmnzncutialsi4ppm2ppm0.3ppm0.3ppm1.5ppm1.3ppm振实密度硫酸根氯离子bet一次粒径高温水分1.1g/ml1.2ppm2.3ppm22.5m2/g12nm<1％实施例2一种一步法制备纳米无水磷酸铁的方法，其为以下步骤：(1)羰基铁的制备，将炼钢厂产生的氧化铁红废料放入密封反应釜内，通入co，在温度为345℃，压力为5.3个大气压下反应5.4小时，然后降低温度为200℃，压力提升至165atm,继续通入co反应2.4小时后，将压力缓慢释放，同时将释放出的气体冷却至温度为77℃，得到的液体为羰基铁，将收集得到的羰基铁再冷却到温度为19℃；(2)将磷酸恒温至温度为91℃，然后将羰基铁与磷酸同时喷雾至反应釜内，喷雾采用的气体为空气，同时采用微波加热反应釜使得反应釜内的温度为290℃，压力维持在2.12个大气压，同时维持物料的反应时间为40min,反应釜与旋风收尘装置连接，维持旋风收尘装置内的温度为175℃，然后收集旋风收尘装置内的物料，经过真空包装得到纳米无水磷酸铁。所述步骤(2)喷入反应釜内的磷酸与羰基铁的摩尔比为1.03：1，喷雾时采用的空气的压力为3.5个大气压，磷酸雾滴和羰基铁雾滴的粒径为8微米，羰基铁在反应釜底部喷雾，磷酸在反应釜顶部喷雾。所述步骤(2)在羰基铁与磷酸进行喷雾时，同时从反应釜底部鼓入空气，鼓入空气的流速为4m/s，每小时鼓入的空气量为反应釜总体积的1.35倍。所述步骤(2)中反应釜的球形结构，反应釜与旋风收尘装置的连接处设置在反应釜的中部。每次加入的磷酸和羰基铁的总质量与反应釜体积的比为5kg/m3，羰基铁与磷酸喷雾至反应釜内的时间为40min。最终得到的产品检测结果如下：实施例3一种一步法制备纳米无水磷酸铁的方法，其为以下步骤：(1)羰基铁的制备，将炼钢厂产生的氧化铁红废料放入密封反应釜内，通入co，在温度为325℃，压力为5.2个大气压下反应5.9小时，然后降低温度为200℃，压力提升至190atm,继续通入co反应2.9小时后，将压力缓慢释放，同时将释放出的气体冷却至温度为81℃，得到的液体为羰基铁，将收集得到的羰基铁再冷却到温度为19℃；(2)将磷酸恒温至温度为79℃，然后将羰基铁与磷酸同时喷雾至反应釜内，喷雾采用的气体为空气，同时采用微波加热反应釜使得反应釜内的温度为330℃，压力维持在2.1个大气压，同时维持物料的反应时间为40min,反应釜与旋风收尘装置连接，维持旋风收尘装置内的温度为170℃，然后收集旋风收尘装置内的物料，经过真空包装得到纳米无水磷酸铁。所述步骤(2)喷入反应釜内的磷酸与羰基铁的摩尔比为1.04：1，喷雾时采用的空气的压力为3.5个大气压，磷酸雾滴和羰基铁雾滴的粒径为8微米，羰基铁在反应釜底部喷雾，磷酸在反应釜顶部喷雾。所述步骤(2)在羰基铁与磷酸进行喷雾时，同时从反应釜底部鼓入空气，鼓入空气的流速为4m/s，每小时鼓入的空气量为反应釜总体积的1.4倍。所述步骤(2)中反应釜的球形结构，反应釜与旋风收尘装置的连接处设置在反应釜的中部。每次加入的磷酸和羰基铁的总质量与反应釜体积的比为5kg/m3，羰基铁与磷酸喷雾至反应釜内的时间为35min。最终得到的产品检测结果如下：指标铁磷比主含量d10d50d90数值0.99999.91％65nm215nm396nmd100camgnanico670nm3ppm3.5ppm1.9ppm0.8ppm0.4ppmmnzncutialsi3ppm2ppm0.2ppm0.4ppm1.9ppm1.9ppm振实密度硫酸根氯离子bet一次粒径高温水分1.07g/ml1ppm2ppm21m2/g13nm<1％最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。当前第1页12