СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СЕРНОКИСЛОГО ЖЕЛЕЗА (3) Российский патент 1999 года по МПК C01G49/14 

Настоящее изобретение относится к способу приготовления сернокислого железа путем окисления из сульфата железа (2) и серной кислоты. Изобретение также относится к использованию сульфата железа (3), приготовленного согласно изобретению для обработки сточных вод, для приготовления чистой водопроводной воды и для других целей осаждения или удаления примесей.

Сульфат железа (2) образуется в больших количествах как побочные потоки различных процессов в мире. Одним из важнейших производителей сульфата железа (2) является промышленность, которая производит двуокись титана сульфатным способом и использует в качестве сырьевого материала ильменит. Значительные количества сульфата железа (2) используются для обработки сточных вод, а обработка сточных вод будет увеличиваться во всем мире. Однако известно, что сульфат железа (3) более эффективен, чем сульфат железа (2) при обработке сточных вод и действительно частично заменяет использование сульфата железа (2).

Известен способ, в котором раствор готовят из сульфата железа (2), серной кислоты и воды, и раствор затем окисляют до раствора сульфата железа (3), используя азотную кислоту, кислород или перекись водорода. Эти способы имеют тот недостаток, что концентрация железа в растворах сульфата железа (3) является неблагоприятно низкой и, следовательно, требует чрезмерно больших хранилищ и приводит к высоким транспортным расходам. Такой способ известен из патента США 4707349, в котором раствор сульфата железа (2), содержащий серную кислоту, окисляют в два этапа: сначала кислородом, а затем перекисью водорода до образования раствора сульфата железа (3).

Также известны способы, согласно которым раствор сульфата железа (3) (Fe₂(SO₄)₃) отверждают путем гранулирования или посредством других способов отверждения, которые всегда включают выпаривание воды. Однако эти способы имеют тот недостаток, что благодаря низкой концентрации железа в растворе сульфата железа (3) получение твердого сульфата железа (3) требует выпаривания чрезмерно больших количеств воды, что неэкономично с точки зрения расхода энергии.

Из патента Великобритании N 2125020 также известен способ, в котороv твердый сульфат железа (3) производят из сульфата железа (2) и серной кислоты путем окисления смеси при высокой температуре в твердом состоянии при нормальном давлении. Однако этот способ имеет тот недостаток, что вследствие высоких температур полученный твердый сульфат железа (3) содержит значительные количества водонерастворимых соединений, которые, следовательно, снижают концентрацию молей активного железа в продукте, или их активация требует дополнительного добавления кислоты.

Задачей настоящего изобретения является создание способа, посредством которого твердый, сильно водорастворимый сульфат железа (3) может быть приготовлен экономически выгодно с точки зрения энергии, хранения и транспортировки.

Основные признаки настоящего изобретения изложены в приложенной формуле.

При определении зависимости скорости окисления двухвалентного железа от концентрации железа в растворе/суспензии было установлено, к удивлению, что даже когда в начальном этапе окисления значительная доля или часть двухвалентного железа находится в твердом состоянии, это не увеличивает в значительной степени общее время окисления. Это предположение должно вытекать из того факта, что когда двухвалентное железо окисляется до трехвалентного железа, общая растворимость железа возрастает, что затем обеспечивает возможность растворяться большему количеству двухвалентного железа для замещения окисленного железа до тех пор, пока в твердой фазе не останется двухвалентного железа. Соответственно, когда концентрация трехвалентного железа увеличивается, часть его начинает кристаллизоваться из раствора в состоянии, когда концентрация трехвалентного железа превышает концентрацию насыщения. Следовательно, когда суспензия, которая содержит и твердый, и растворенный сульфат железа (2), подается в окислительный реактор, то получают суспензию, которая содержит и твердый? и растворенный сульфат железа (3). Отверждение такой суспензии может осуществляться преимущественно путем охлаждения, посредством плитного гранулятора или любым другим соответствующим способом.

Согласно настоящему изобретению суспензия, подлежащая окислению, может быть образована из сульфата железа (2) и серной кислоты и, возможно, влаги. Согласно изобретению также возможно образовать суспензию, подлежащую окислению, из сульфата железа (2), который содержит серную кислоту в количестве 0-15% по весу, и возможно, из серной кислоты и влаги. Такой сульфат железа (2), который содержит серную кислоту, может быть получен из сбросной кислоты, образующейся при осаждении двуокиси титана.

Используемый сульфат железа (2) может содержать воду кристаллизации и может быть, например, моногидратом сульфата железа (2), тетрагидратом сульфата железа (2) или гептагидратом сульфата железа (2).

Молярное отношение железа к сульфату в подлежащей окислению суспензии составляет, предпочтительно, 2:(2,0-3,5).

Концентрация железа в используемом сульфате железа (2) составляет предпочтительно 14-32% по весу.

Используемая серная кислота является предпочтительно серной кислотой, имеющей концентрацию 22-100% по весу, или олеумом, имеющим концентрацию SO₃ порядка 0-30% по весу.

Концентрация железа в суспензии сульфата железа (3) после окисления составляет предпочтительно 14-24% по весу.

Окисление осуществляют преимущественно с использованием молекулярного кислорода при температуре 60 - 140^oC и при избыточном давлении, например, при избыточном давлении 3-10 бар.

Молярное отношение железа к сульфату в полученной суспензии сульфата железа (3) составляет предпочтительно 2:(2,5-3,5).

Концентрация железа в полученном твердом сульфате железа (3) составляет предпочтительно 16-30% по весу.

Пример 1
4000 кг моногидрата сульфата железа (2) (концентрация железа 32% по весу) и 1165 кг 96% серной кислоты загружали в реактор, работающий под давлением, и нагревали до температуры 120^oC. Реактор герметизировали кислородом при избыточном давлении 3 бара. Температуру суспензии поддерживали равной 12^oC и давление равным 3 бара, и смесь эффективно перемешивали для способствования дисперсии кислорода до тех пор, пока концентрация двухвалентного железа не становилась меньше чем 0,1% вес.

Полученную суспензию сульфата железа (3), в которой концентрация железа составляла 23,9% по весу, отверждали путем охлаждения. Доля водонерастворимого материала в твердом сульфате железа (3) составляла менее 0,2% по весу общей массы.

Пример 2
5000 кг гептагидрата сульфата железа (2) (концентрация железа 16,5% по весу) и 770 кг 93% серной кислоты загружали в реактор, работающий под давлением, и нагревали до 60^oC. Реактор герметизировали кислородом до избыточного давления 10 бар. Температуру суспензии поддерживали равной 60^oC и давление - равным 10 бар до тех пор, пока концентрация двухвалентного железа не становилась менее 0,1% по весу.

Полученную суспензию сульфата железа (3) с концентрацией Fe 14% по весу гранулировали, используя барабанный гранулятор типа Spherodizer. Концентрация железа в полученных гранулах составляла 18% по весу, а доля водонерастворимого материала составляла менее 0,2% по весу от общей массы.

Функционирование продуктов обоих примеров проверялось на установке обработки муниципальных сточных вод.

Изобретение относится к способу приготовления сульфата железа (3) (Fe₂(SO₄)₃) путем образования суспензии, которая содержит сульфат железа (2) (FeSO₄) и серную кислоту, при этом суспензия содержит двухвалентное железо и в фазе раствора, и в твердой фазе и путем окисления этой суспензии до формы сульфата железа (3). При необходимости полученную суспензию сульфата железа (3) отверждают с образованием твердого сульфата железа (3). Полученный сульфат железа (3) в таком виде или растворенный в воде может использоваться для обработки сточных вод или для приготовления чистой водопроводной воды. Технический результат - снижение энергоемкости процесса и облегчение хранения и транспортировки целевого продукта. 15 з.п. ф-лы.

1. Способ приготовления сульфата железа (3) путем окисления из сульфата железа (2) и серной кислоты, отличающийся тем, что образуют суспензию, содержащую сульфат железа (2) и серную кислоту, при этом суспензия содержит двухвалентное железо и в фазе раствора, и в твердой фазе и эту суспензию окисляют до образования суспензии сульфата железа (3). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученную суспензию сульфата железа (3) отверждают до образования твердого сульфата железа (3). 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что полученная суспензия сульфата железа (3) содержит трехвалентное железо и в фазе раствора, и в твердой фазе. 4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что отверждение суспензии сульфата железа (3) осуществляют путем охлаждения и/или путем выпаривания из нее воды. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что подлежащую окислению суспензию образуют из сульфата железа (2) и серной кислоты и, возможно, влаги. 6. Способ по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что подлежащую окислению суспензию образуют из сульфата железа (2), который содержит серную кислоту в количестве 0 - 15% по весу и, возможно, также из серной кислоты и влаги. 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что используемый сульфат железа (2) является гидратом сульфата железа (2), таким, как моногидрат сульфата железа (2), тетрагидрат сульфата железа (2) или гептагидрат сульфата железа (2). 8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что молярное отношение железа к сульфату в подлежащей окислению суспензии составляет 2:(2,0 - 3,5). 9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что концентрация железа в используемом сульфате железа (2) составляет 14 - 32% по весу. 10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что используемая серная кислота является серной кислотой, имеющей концентрацию серной кислоты 22 - 100% по весу, или олеумом, имеющим концентрацию SO₃ 0 - 30% по весу. 11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что концентрация железа в полученной суспензии сульфата железа (3) после окисления составляет 14 - 24% по весу. 12. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что окисление осуществляют при температуре 60 - 140^oC. 13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что окисление осуществляют с использованием молекулярного кислорода. 14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что окисление осуществляют при избыточном давлении, таком, как избыточное давление 3 - 10 бар. 15. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что молярное отношение железа к сульфату в суспензии сульфата железа (3) составляет 2 : (2,5 - 3,5). 16. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что концентрация железа в полученном твердом сульфате железа (3) составляет 16 - 30% по весу.