СПОСОБ ОКИСЛЕНИЯ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (II) В КИСЛЫХ РАСТВОРАХ Российский патент 1997 года по МПК C22B3/20 

Изобретение относится к гидрометаллургии и может быть использовано для очистки различных кислых растворов от ионов железа, а также при проведении процессов, в которых окисление железа (II) играет существенную роль.

Известен способ извлечения железа из растворов никеля и кобальта, содержащих ионы железа (II), при обработке растворов кислородсодержащим газом в присутствии комплексообразующего ионита (см. а. с. СССР N 570290, МКИ C 22 D 23/04, C 22 B 3/00 за 1972 г.) Обработку газом (воздухом) ведут при pH 1,5-2,8 и температуре 50-80 ^oC. В присутствии катионита КМ-2 в водородной форме происходит окисление железа (II) в железо (III) и поглощение ионов железа (III) катионитом.

Приведенный интервал значений pH 1,5-2,8 не увязан с концентрацией ионов железа и в ходе процесса значение pH уменьшается, то есть кислотность раствора возрастает за счет гидролиза образующихся ионов железа (III) и ионообменного выделения ионов из кислорода из катионита в водородной форме. В результате процесс окисления протекает медленно и с низкой степенью окисления ионов железа (II).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ окисления железа (II) в кислых растворах при обработке их воздухом в присутствии высокопористых активированных углей, содержащих функционально активный азот.

Недостатком этого способа также является медленное протекание процесса окисления железа (II) и невысокая степень окисления 56 за 2 ч. Это происходит, на наш взгляд, за счет неувязки значения pH и концентрации железа в исходном растворе.

Целью изобретения является увеличение скорости процесса окисления железа (II) и повышение степени его окисления.

Поставленная цель достигается тем, что обработку кислородсодержащим газом кислых растворов, содержащих ионы железа (II) и железа (III), в присутствии активированных углей или комплексообразующих ионитов ведут при поддержании значения pH, соответствующего началу осаждения гидроокиси железа (III) из раствора с концентрацией ионов железа (III), эквивалентной суммарной концентрации ионов железа (II) и железа (III) в исходных растворах.

Сущность изобретения состоит в следующем. Окисление ионов железа (II) в кислых растворах протекает по реакции:
2Fe²⁺+1/2O²+2H⁺=2Fe⁺³+H₂O
Скорость и степень окисления железа (II) зависит при прочих равных условиях от кислотности раствора или значения pH и от соотношения концентрации железа (III) и железа (II) в каждый момент протекания процесса окисления. Это является следствием изменения величин окислительно-восстановительных потенциалов (ОВП) полуреакций восстановления кислорода и окисления железа, разность которых определяет электродвижущую силу (ЭДС) процесса. Одновременно с процессом окисления железа (II) протекает гидролиз ионов железа (III) с образованием гидроксокомплексов по реакциям

Суммарная реакция окисления железа (II) с учетом гидролиза ионов железа (III) протекает по уравнению
2Fe²⁺+1/2O₂+5H₂O = 2Fe(OH)o3

+4H⁺ (5)
Из реакции (5) следует, что повышение кислотности или понижение значения pH раствора должно замедлять скорость окисления железа, что и подтверждается на практике (см. книгу Б. В. Некрасова "Основы общей химии", т.II, изд. "Химия", М. 1973 г.) При заданных значениях pH и соотношении концентраций ионов железа (III) и железа (II) в исходном растворе с максимальной скоростью процесс окисления железа (II) может протекать только в начале процесса, замедляясь затем тем в большей мере, чем в большей степени окислено железо (II). Это связано с ростом ОВП системы железо (III)/(II) и, как следствие, с уменьшением ЭДС общей окислительно-восстановительной реакции. Рост ОВП системы железо (III)/(II) определяется, с одной стороны, уменьшением концентрации железа (II) в растворе, с другой стороны, повышением концентрации железа (III), то есть в итоге увеличением соотношения концентраций железа (III)/(II) в растворе. Кроме того, как следует из реакций (2-5), с повышением степени окисления железа (II) увеличивается и кислотность, или уменьшается значение pH раствора. Уменьшение pH раствора приводит к повышению равновесной концентрации ионов железа (III), несвязанных в гидроксокомплексы. А так как ОВП системы железо (III)/(II) определяют именно несвязанные ионы, то понижение pH раствора в ходе окисления в еще большей мере повысит ОВП системы железо (III)/(II), уменьшит ЭДС реакции окисления и снизит скорость и степень окисления железа (II). Если же значение pH в растворе поддерживать постоянным, то в ходе окисления железа (II) равновесная концентрация ионов железа (III), несвязанных в гидроксокомплексы, уменьшится в каждый конкретный момент протекания процесса и ЭДС, а значит, скорость и степень окисления железа (II) увеличатся. При заданной концентрации ионов железа (III), как следует из реакций (2-4), количество несвязанных ионов железа (III) уменьшается, а количество связанных увеличивается с понижением концентрации водородных ионов, то есть с повышением pH раствора. Однако повышение pH раствора ограничено произведением растворимости гидрооксида железа (III) при достижении значения pH величины, соответствующей началу осаждения гидрооксида железа (III), при данной концентрации железа (III) в растворе начнется выпадение осадка гидрооксида железа (III). Вместе с тем степень гидролиза ионов железа (III) в этот момент будет максимальной, а равновесная концентрация ионов железа (III), несвязанных в гидроксокомплексы, -минимальной. Скорость же и степень окисления железа (II) в этот момент достигнут максимального значения. Значение pH, соответствующее началу осаждения гидрооксида железа (III), при заданной концентрации ионов железа (III) можно определить приблизительно расчетным путем, более точно опытным путем, а также узнать по справочным данным. Поддержание этого значения pH можно осуществить добавкой реагентов основанного характера: щелочей, солей, имеющих щелочную реакцию гидролиза, и других веществ. Кроме того, этой цели можно достигнуть, проводя процесс в присутствии ионитов, поглощающих ионы водорода или выделяющих ионы гидроксила, а также электролитически и другими способами.

Если концентрация ионов железа (III) не постоянна, а увеличивается в ходе окисления ионов железа (II), то при полном их окислении она достигает значения, эквивалентного суммарной концентрации ионов железа (II) и железа (III) в исходном растворе. При поддержании в ходе окисления из раствора с концентрацией ионов железа (III), эквивалентной суммарной концентрацией ионов железа (II) и железа (III) может начаться только при 100 степени окисления железа (II). Поэтому осаждения железа в ходе процесса практически происходить не будет. Если же поддерживать pH ниже этого значения, скорость и степень окисления железа будут ниже. При проведении процесса окисления железа кислородом в присутствии комплексообразующих ионитов скорость и степень окисления железа (II) будут выше за счет поглощения части образующихся ионов железа (III) и снижения их равновесной концентрации. Однако эффект еще большей скорости и степени окисления железа (II) за счет поддержания соответствующего значения pH сохранится. Аналогично будет протекать окисление в присутствии активированных углей, ускоряющих процесс окисления за счет активизации молекулярного кислорода и перекисную форму. Поддержание соответствующего значения pH в еще большей мере увеличит скорость и степень окисления железа (II).

Таким образом, если обработку кислородсодержащим газом кислых раствора, содержащих ионы железа (II) и железа (III), в присутствии активированных углей или комплексообразующих ионитов вести при поддержании значения pH, соответствующего началу осаждения гидрооксида железа (III) из раствора с концентрацией ионов железа (III), эквивалентной суммарной концентрации ионов железа (II) и железа (III) в исходных растворах, то скорость и степень окисления железа (II) увеличатся и поставленная цель будет достигнута.

По известному и предлагаемому вариантам в лабораторных условиях проводили аэрирование раствора, содержащего 0,51 г/л ионов железа (II) и 0,05 г/л ионов железа (III), в присутствии нескольких марок активированных углей и катионита КУ 2-8. Исходный раствор имел значение pH 2,1. По известному варианту раствор аэрировали при значении pH исходного раствора. По предлагаемому варианту значение pH 2,3 определили по справочным данным (см. книгу Ю. Ю. Лурье "Справочник по аналитической химии", изд. "Химия", М. 1971 г.) Суммарная концентрация железа в исходном растворе, равная 0,51 + 0,05 0,56 г/л (00,1 М), эквивалентна концентрации ионов железа (III), которой соответствует значение pH начала осаждения гидрооксида железа (III), равное 2,3. Это значение pH и поддерживалось в ходе аэрирования дозировкой раствора NaOH по предлагаемому варианту. Аэрирование проводили по обоим вариантам в течение 2 ч. Через каждый час отбиралась проба раствора и анализировалась на содержание ионов железа (II) и железа (III) с замером значения pH. По результатам подсчитывалась степень окисления железа (II). Результаты представлены в таблице.

Из данных таблицы следует, что в присутствии и углей и катионита окисление железа (II) кислородом воздуха протекает с большей скоростью и степенью окисления при поддержке значения pH, соответствующего началу осаждения гидроксида железа (III) из раствора с концентрацией железа (III), эквивалентной суммарной концентрации ионов железа (II) и железа (III) в исходном растворе.

Изобретение относится к гидрометаллургии и может быть использовано для очистки различных по составу кислых растворов от ионов железа, а также при проведении процессов, в которых окисление железа (II) играет существенную роль. Сущность : способ включает обработку раствором кислородсодержащим газом в присутствии активированных углей или комплексообразующих ионитов при поддержании значения pH раствора, соответствующего началу осаждения гидроокиси железа (III) из раствора с концентрацией ионов железа (III), эквивалентной суммарной концентрации ионов железа (II) и железа (III) в исходных растворах. 1 табл.

Способ окисления ионов железа (II) в кислых растворах, содержащих ионы железа (III), включающий обработку растворов кислородсодержащим газом в присутствии активированных углей или комплексообразующих ионитов, отличающийся тем, что обработку растворов ведут при поддержании значения pН, соответствующего началу осаждения гидрооксида железа (III) из раствора с концентрацией ионов железа (III), эквивалентной суммарной концентрации ионов железа (II) и железа (III) в исходных растворах.