اکسید آهن چیست و چه کاربردهایی دارد؟
اگر فقط کمی هم با علم شیمی آشنایی داشته باشید، احتمالاً می‌دانید که آهن و اکسیژن با هم واکنش می‌دهند و اکسید آهن را تشکیل می‌دهند. تابه‌حال 16 اکسید آهن در دنیا شناخته شده‌اند. اکسیدهای آهن طبیعی از هماتیت (اکسید آهن معدنی قرمز)، لیمونیت‌ها (از زرد تا قهوه‌ای) و مگنتیت (اکسید آهن سیاه) گرفته می‌شوند.
رنگ‌دانه‌های اکسید آهن مصنوعی نیز از مواد اولیه شیمیایی، تولید می‌شوند. تولید مصنوعی این ماده کمک می‌کند که اندازه، توزیع و شکل ذرات را بتوان با دقت بسیار بالایی تکرار کرد. به‌این‌ترتیب یکنواختی، کیفیت رنگ و خلوص شیمیایی ذرات اکسید آهن بالاتر می‌رود.
نقش اساسی اکسیدهای آهن در بسیاری از فرآیندهای محیطی و صنعت غیرقابل‌انکار است. زنگ آهن معمولی (آهن III) خود نوعی از اکسید آهن محسوب می‌شود، از طرفی قیمت این محصولات وابسته به قیمت آهن است و معمولا افراد به صورت روزانه نرخ آهن را از سایت‌های معتبر فروش آهن چک می‌کنند.
در این مقاله ابتدا، انواع مختلف اکسید آهن را ازنظر ترکیبات شیمایی بررسی می‌کنیم. سپس مزایا و کاربردهای این ماده را در صنایع مختلف، شرح خواهیم داد. در قسمت بعد به توضیح انواع اکسید آهن مصنوعی بر اساس رنگ آن‌ها خواهیم پرداخت و ویژگی‌های و کاربردهای هریک را شرح می‌دهیم. درنهایت هم چهار روش اصلی تولید اکسید آهن به روش مصنوعی را توضیح می‌دهیم.
اگر قصد آشنایی با اکسید آهن، مزایا و انواع آن را دارید، این مقاله به شما کمک خواهد کرد.
انواع مختلف اکسید آهن
سه نوع جداگانه از اکسید آهن وجود دارد. این سه نوع ازنظر ترکیبات شیمیایی و نسبت ترکیب آهن و اکسیژن موجود در آن‌ها تفاوت دارند. در اینجا هرکدام را به‌صورت مختصر شرح می‌دهیم.
اکسید آهن II
این ترکیب، نزدیک به نه درصد از گوشته زمین را تشکیل می‌دهد. این اکسید، سیاه‌رنگ است و می‌توان آن را به‌صورت مصنوعی با تجزیه حرارتی اگزالات آهن II نیز ساخت. اکسید آهن II به دلیل ماهیت غیر سمی‌اش، بیشتر به‌عنوان رنگدانه در لوازم آرایشی و بهداشتی مصرف می‌شود.
اکسید آهن III
این اکسید به‌طور طبیعی به‌عنوان هماتیت معدنی وجود داشته و در صنایع مختلفی کاربرد دارد. به‌خصوص در صنعت فولاد که برای تولید آهن از آن استفاده می‌شود. صنایع رنگ‌دانه‌های معدنی، بتن و ساختمان و آرایشی بهداشتی نیز از این نوع اکسید، استفاده می‌کنند.
اکسید آهن II و III
این اکسید را می‌توان به‌طور طبیعی به‌عنوان مگنتیت معدنی پیدا کرد. اکسید آهن II و III شامل ویژگی‌های هر دو نوع آهن II و III است. این ماده، اگرچه به‌طور طبیعی در دسترس است اما عموماً به‌صورت مصنوعی، تولید می‌شود. این امر به این دلیل است که بتوانند ذرات و شکل آن‌ها را دست‌کاری نمایند.
شکل غالب این اکسید به‌صورت پودر سیاه‌رنگ است. موارد زیر را هم می‌توان به‌عنوان اصلی‌ترین کاربردهای این اکسید برشمرد:
• به‌عنوان نانو ذرات در اسکن MRI
• استفاده در صنایع دارویی
• برش فولاد در صنایع فولاد
• کاتالیزور در صنایع شیمایی به‌خصوص در واکنش جابجایی آب-گاز
مزایا و کاربردهای اکسید آهن
اکسید آهن این ماده نسبتاً ارزان‌قیمت، مقاومت بالایی در برابر تغییر رنگ در مقابل نور خورشید دارد. آن‌ها همچنین در شرایط محیطی معمولی، پایداری بالایی دارند. البته رنگ‌دانه‌های طبیعی، دوام و قوام کمتری نسبت به رنگ‌دانه‌های مصنوعی دارند. به همین دلیل هم از آن‌ها به‌عنوان رنگ‌های حمایتی و زیرسازی استفاده می‌شود.
نوعی اکسید آهن نیز هماتیت به نام میکاسی وجود دارد که خواص منحصربه‌فردی به رنگ‌ها و پوشش‌ها می‌دهد. در این اکسید، ذرات به شکلی پوسته‌پوسته به‌گونه‌ای رو سطح قرار می‌گیرند که از آن در برابر رطوبت و گازها محافظت می‌کنند. این پوشش می‌تواند از خوردگی، زنگ‌زدگی فلزات، بروز تاول، ترک و پوسته‌شدن لایه رنگی، جلوگیری کند.
دیگر خاصیت رنگ‌دانه‌های اکسید آهن این است که به دلیل اندازه کوچکشان که ده برابر از ذرات سیمان کوچک‌تر هستند، به‌خوبی در شبکه سیمان جای می‌گیرند. دلیل یکنواختی سطوح بتنی و سیمانی که با این رنگ‌ها پوشش داده‌شده‌اند نیز همین است.
رنگ‌دانه‌های شیمیایی در برابر مواد قلیایی نیز مقاومت بسیار بالایی دارند. آن‌ها همچنین، درخشندگی بیشتری هم به سطح می‌دهند. البته، در اعمال آن‌ها روی سطح بتن و سیمان باید دقت داشت که از دوزهای استاندارد تعیین‌شده، تجاوز نشود. در غیر این صورت، آن‌ها به ساختار بتن نفوذ کرده و خواص آن را تحت تأثیر قرار می‌دهند.
یکی مزایای رنگ‌دانه‌های اکسید آهن این است که می‌توان به‌راحتی آن‌ها را با یکدیگر ترکیب کرد و رنگ‌های جدیدی به دست آورد. انواع اکسید آهن غیر سمی هستند و همین باعث محبوبیت آن‌ها در صنایع، حتی صنایع غذایی شده است.
کاربردهای اکسید آهن
رنگ‌دانه‌های اکسید آهن از ده‌ها هزار سال پیش که انسان در غارها نقاشی می‌کشید، مورداستفاده قرارگرفته‌اند. در قرون گذشته از این ماده در مصارف مختلفی مانند لعاب‌های سرامیک و کاشی، شیشه، تولید کاغذ، پلاستیک و لاستیک و منسوجات استفاده می‌شده و هنوز هم می‌شود.
امروزه، اکسید آهن بخشی از زندگی هرروزه ماست. این ماده در صنایع مختلفی، علاوه بر مصارفی که در گذشته داشت، مورداستفاده قرار می‌گیرد. مهم‌ترین این صنایع عبارت‌اند از:
• تولید رنگ‌دانه‌های معدنی
• تولید هموگلوبین
• صنعت بتن و ساختمان
• صنایع آرایشی و بهداشتی
• صنایع پلاستیک و رنگ
• صنایع فولاد و آهن
• لوازم‌تحریر
• مخازن صنعتی
• پالایشگاه‌ها
• کارخانه‌های شیمیایی
• دکل‌های حفاری
• کوره‌های ریخته‌گری
پیشرفت‌های جدید در صنعت رنگ‌دانه‌های اکسید آهن در سال‌های اخیر، موجب تولید دانه‌های بسیار ریز این ماده، حتی در ابعاد نانو شده است. این نوع از اکسید آهن در صنایع الکترونیک، پزشکی هسته‌ای و تصویربرداری مغناطیسی، کاربرد دارد. پرمصرف‌ترین رنگ‌ها هم زرد، مشکی، قهوه‌ای، قرمز و نارنجی هستند. در اینجا، نگاهی مفصل‌تر به سه کاربرد اصلی اکسید آهن در صنایع می‌اندازیم.
مواد اولیه آهن و فولاد
فولاد آلیاژی متشکل از کربن، آهن و سایر عناصر است. آهن، پایه فولاد است و ساختار اتمی فولاد، عمدتاً از آهن ساخته شده است. برای تأمین آهن به‌عنوان یک ماده اولیه در ساخت فولاد از اکسید آهن استفاده می‌شود. با توسعه صنعت ساخت‌وساز، تقاضا برای اکسید آهن در تولید سازه‌های فولادی، افزایش قابل‌توجهی داشته است.
تولید رنگدانه
اکسید آهن III به‌طور طبیعی، دارای رنگ قرمز است. در اصطلاح صنعتی به این اکسید، رنگدانه قرمز 101، رنگدانه 6 یا 7 نیز گفته می‌شود.
از میان صنایع مختلفی که به رنگدانه نیاز دارند، صنایع رنگ و ساختمان بیش از یک‌سوم مصرف جهانی اکسید آهن را به خود اختصاص داده‌اند. دومین صنعت بزرگ مصرف‌کننده اکسید آهن هم صنایع پوشش فلزات و دیگر مواد هستند. در این صنایع، عمدتاً، اکسید آهن مصنوعی با دانه‌های قابل پخش و میکرونیزه مورداستفاده قرار می‌گیرد. در رده سوم هم صنایع آرایشی و بهداشتی قرار دارند. همچنین، برخی از رنگ‌دانه‌های اکسید آهن، شفاف هستند و در رنگ‌آمیزی چوب نیز کاربرد دارند.
تولید نوار مغناطیسی
نوار مغناطیسی، امکان ضبط صدا را فراهم می‌کند. از این نوار به‌طور گسترده در ضبط صدا، تصویر و کارت‌های اعتباری بانک‌ها، استفاده می‌شود. متداول‌ترین ذره مغناطیسی برای تولید این محصول، اکسید آهن III است.
منابع اکسید آهن در جهان
رسوبات رنگدانه اکسید آهن در بسیاری از کشورها وجود دارند اما تنها چند کشور این ماده را به‌طور گسترده در اختیار دارند. قبرس، فرانسه، ایران، ایتالیا و اسپانیا کشورهایی هستند که منابع زیادی از اکسید آهن طبیعی دارند. کشورهای هند، آمریکا، چین و اسپانیا، اکسید آهن مصنوعی را به‌صورت گسترده، تولید می‌کنند.
تنها در سال 2017 ارزش کل اکسید آهن مبادله شده در جهان به حدود 2 میلیارد دلار آمریکا رسید. تخمین زده می‌شود که 13 درصد از کل اکسید آهن مصرفی در دنیا از منابع طبیعی و بقیه از منابع مصنوعی تهیه می‌شوند.
انواع اکسید آهن مصنوعی و ویژگی های آن ها
همان‌طور که در بخش‌های قبل گفته شد، اکسید آهن مصنوعی را می‌توان به شکل کنترل‌شده-ای تولید کرد. یکنواختی، کیفیت و خلوص شیمیایی بالاتر، حاصل کنترل اندازه ذرات، نحوه توزیع و شکل آن‌ها است. علاوه بر این، آن‌ها قیمت کمتری هم نسبت به اکسید آهن طبیعی یا آلی دارند.
رنگ‌های قرمز، زرد و سیاه، عمدتاً به‌صورت فرم‌های تک جزئی استفاده می‌شوند. از سوی دیگر، رنگ‌دانه‌های نارنجی و قهوه‌ای به‌صورت ترکیبی ساخته می‌شوند. در این بخش نگاهی به ویژگی‌ها و کاربردهای هریک اکسید آهن مصنوعی در رنگ‌های مختلف خواهیم انداخت.
اکسید آهن قرمز
این اکسید، رایج‌ترین اکسید آهن است و بیشترین درصد آهن را در ترکیب شیمیایی خود دارد. از ویژگی‌های این رنگدانه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• اندازه ذرات بسیار ریز با استحکام رنگ بالا
• غیر سمی
• غیرقابل اشتعال
• مقاومت بالا در برابر مواد قلیایی
• امکان تولید شدت‌های متنوع از رنگ قرمز
• خواص ثابت
یکی از ویژگی‌های اصلی اکسید آهن قرمز، خاصیت فرّومغناطیس بودن آن است. این خاصیت باعث می‌شود که این رنگدانه، بدون نیاز به حضور در یک میدان مغناطیسی، خودش به‌صورت یک آهنربا عمل کند.
صنعت ساختمان، بیشترین استفاده را از این رنگدانه می‌کند؛ چراکه این اکسید آهن، قدرت پخش‌پذیری و رنگ‌پذیری بالایی دارد. رنگ‌آمیزی سنگ‌فرش خیابان‌ها، کاشی‌ها و انواع بتن نیز با استفاده از این رنگدانه امکان‌پذیر است.
اکسید آهن زرد
پس از اکسید آهن قرمز و سیاه، این اکسید دارای ریزترین ذرات است. خلوص بالا (در حدود 85 درصد آهن) از ویژگی‌های این اکسید آهن است. از این اکسید در شرایطی استفاده می‌شود که رنگ خام یا خواص خام برای تولید، بسیار مهم باشد. ویژگی‌های دیگر اکسید آهن زرد موارد زیر هستند:
• قدرت پنهان‌کنندگی بسیار بالا
• جذب‌کننده نور ماوراءبنفش
• قابل‌پخش در آب و انواع حلال‌ها
• درصد پایین فلزات سنگین
موارد مصرف این رنگدانه، تقریباً مشابه رنگدانه قرمز است.
اکسید آهن سیاه
از اکسید آهن سیاه به‌عنوان منبع آهن در کاربردهای سرامیکی به‌ویژه در مکان‌هایی که به رنگ سیاه خام نیاز حیاتی وجود دارد، استفاده می‌شود. تفاوت اصلی این ماده با اکسید آهن قرمز در خاصیت مغناطیسی آن است که باعث می‌شود به آن فری مغناطیس گفته شود. از دیگر ویژگی‌های این اکسید آهن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• نقطه ذوب 1597 درجه سانتی‌گراد
• نقطه‌جوش 2623 درجه سانتی‌گراد
• رسانای الکتریکی قوی (حتی قوی‌تر از اکسید آهن قرمز)
• خاصیت ضد خوردگی
از این اکسید در طیف گسترده‌ای از مواد غیر سرامیکی نیز استفاده می‌شود. لوازم‌خانگی و پوشش سازه‌های شهری فولادی مانند پل‌ها ازجمله این مصارف هستند، از سوی دیگر بیشتر مقاطع، در برابر خوردگی مقاومت بالایی دارند و به فولاد ضد زنگ شناخته می‌شوند.
اکسید آهن نارنجی
پس از سه اکسید قبلی که بررسی کردیم، این اکسید رنگ‌دانه‌های درشت‌تری دارد. اکسید آهن نارنجی، معمولاً به‌صورت پودر خشک و با فشردگی بالا در بازار ارائه می‌شود. از خواص این اکسید می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• استحکام بالا
• رنگ‌پذیری بالا
• مقاومت در برابر مواد قلیایی
• غیر سمی
• غیرقابل اشتعال
از اکسید آهن نارنجی در گچ‌کاری و پتینه‌کاری، کف‌پوش، رنگ‌آمیزی بتن، صابون‌سازی و حتی مواد خوراکی هم استفاده می‌شود.
اکسید آهن قهوه ای
اکسید آهن قهوه‌ای از ترکیب اکسیدهای قرمز، زرد و سیاه به دست می‌آید. اندازه رنگ‌دانه‌های این اکسید، نسبتاً متوسط هستند. از ویژگی‌های اکسید آهن قهوه‌ای می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• پایداری در برابر اشعه ماوراءبنفش
• غیر سمی
• محلول در آب
رنگ‌آمیزی بتن و آجر و صنایع آرایشی و بهداشتی، کاربردهای اصلی این رنگدانه هستند.
انواع دیگر رنگ‌های اکسید آهن مانند سبز، آبی و اخرا نیز وجود دارند که کم‌وبیش خواص و کاربردهای مشابهی با اکسیدهای بررسی‌شده دارند.
روش های تولید اکسید آهن مصنوعی
چهار روش اصلی برای تولید رنگ‌دانه‌های اکسید آهن وجود دارد. در اینجا، به‌طور مختصر آن‌ها را شرح می‌دهیم.
فرآیند LAUX
در این فرآیند، اکسید آهن به‌عنوان یک محصول جانبی از فرآیند آنیلین به دست می‌آید. رنگ‌دانه‌هایی که با استفاده از این فرآیند، تولید می‌شوند، سیاه و زرد هستند. این رنگ‌دانه‌ها، علاوه بر کاربردهای مستقیمشان، برای تولید رنگدانه قرمز در فرآیند کلسیناسیون نیز استفاده می‌شوند. فرآیند کلسیناسیون را در بخش بعد توضیح می‌دهیم.
فرآیند کلسیناسیون
این فرآیند از اکسید کردن اکسید آهن سیاه برای تبدیل کردن آن به اکسید آهن زرد و سپس قرمز استفاده می‌کند. فرآیند کلسیناسیون در دمای بالا انجام می‌شود. با کنترل دقیق پارامترهای فرآیند می‌توان، رنگ‌دانه‌های قهوه‌ای نیز فراهم کرد.
فرآیند پنیمن (Penniman)
این فرآیند با استفاده از اکسیژن و انواع اسید به‌عنوان کاتالیزور، فلز آهن را به اکسید آهن تبدیل می‌کند. توسعه گسترده این فرآیند در چند سال اخیر، سبب تولید رنگ‌دانه‌های قرمز و سیاه بسیار باکیفیتی در بازار شده است.
فرآیند بارش
در این فرآیند، نمک‌های آهن با سود سوزآور در حضور اکسیژن یا هوا واکنش می‌دهند. این فرآیند توسط دمای مشخص، pH، خلوص، غلظت، نسبت مخلوط شدن مواد و سرعت واکنش، کنترل می‌شود. تعدد این پارامترها فرآیند بارش را به پیچیده‌ترین روش برای تولید اکسید آهن تبدیل کرده است. بااین‌وجود، باکیفیت‌ترین رنگ‌دانه‌ها هم از این روش تولید می‌شوند.
اکسید آهن در یک نگاه
اکسید آهن یکی از مواد موجود در طبیعت بوده که بخش قابل‌توجهی از ساختار کره زمین را به خود اختصاص داده است. این ماده، به‌طور ساده از آهن و اکسیژن تشکیل شده است. هنگامی‌که آهن زنگ می‌زند، روی آن پودری از رنگ‌دانه‌ها به رنگ‌های مختلف، تشکیل می‌شود که اکسید آهن نام دارد. اگرچه این اتفاق، اغلب ناخوشایند تلقی می‌شود ولی اکسید آهن مصارف بسیاری در صنایع مختلف دارد.
ازنظر شیمیایی و نسبت آهن با اکسیژن، اکسید آهن به سه دسته اکسید آهن III، اکسید آهن II و ترکیبی از این دو، تقسیم می‌شود.
اکسید آهن، خواص متعددی از قبیل مقاومت در برابر خوردگی، نور آفتاب، پوشش‌دهی بسیار عالی و غیره دارد. اکسید آهن به‌صورت مصنوعی هم در رنگ‌های مختلفی تولید می‌شود که خواص بسیار بهتری نسبت به نوع طبیعی آن دارد. این ماده در صنایع بسیار متنوعی از قبیل صنایع غذایی، آرایشی و بهداشتی، نوار مغناطیسی، پزشکی و پزشکی هسته‌ای، مخازن صنعتی، پالایشگاه‌ها و کوره‌های ریخته‌گری، کاربرد دارد. بااین‌حال، بیشترین مصرف اکسید آهن در صنایع تولید رنگ‌دانه‌های پوششی و فولاد است.
رنگ‌دانه‌های پوششی تولیدشده به‌ویژه برای پوشش بتن، سیمان و فلزات، کاربردهای فراوانی دارند. پرکاربردترین این رنگ‌دانه‌ها که در این مقاله مرور شدند، عبارت بودند از قرمز، سیاه، زرد، نارنجی و قهوه‌ای. در این مقاله علاوه بر مطالبی که گفته شد، چهار روش اصلی تولید رنگ‌دانه‌های مصنوعی اکسید آهن را نیز معرفی کردیم.
