СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНЕТИТА Российский патент 2010 года по МПК C01G49/08 

Изобретение относится к способам получения магнитных материалов, которые могут найти применение в самых различных отраслях народного хозяйства, даже не связанных с их магнитными свойствами, например в качестве пигментов в лакокрасочной промышленности.

В литературе описано множество способов получения магнетита. Учитывая большой объем его потребления, наибольший интерес представляют способы, которые могут быть осуществлены в промышленном масштабе. Как правило, для получения магнетита используют растворы двухвалентного железа, к которым добавляют щелочь. Образующийся при этом гидроксид Fe(OH)₂ окисляют кислородом воздуха. Процесс проводят длительное время при повышенной температуре (50-100°С) в присутствии веществ, ускоряющих процесс, например NH₄NO₃ (Д.А.Рохленко, В.А.Сокол, А.В.Бромберг «Химические реактивы и препараты», Тр. ИРЕА, вып.31, М., 1969, с.455-462).

Общими признаками известного и предлагаемого способов являются использование сернокислого железа (II) и аммиачной воды для получения суспензии гидроксида железа Fe(OH)₂ и последующее окисление полученной суспензии до образования магнетита.

Недостатками известного способа являются длительность процесса, высокие энергетические затраты, использование дополнительных реактивов, сложность регулирования процесса получения образцов с заданными магнитными характеристиками.

Известен способ получения магнетита (авт. свид. СССР №786882, М.кл.³, C01G 49/08, опубл. 07.12.1980), в котором раствор сульфата железа (II) обрабатывают щелочью и к полученной суспензии гидроксида железа Fe(ОН)₂ добавляют суспензию γ-FeOOH (лепидокрокита), в котором содержание железа составляет 0,1-2,0% по отношению к общему количеству двухвалентного железа в исходном растворе. Для поддержания постоянной температуры (90°С) в реактор вдувают воздух до тех пор, пока окислительно-восстановительный потенциал не достигнет значения 450 мВ. Полученный магнетит отфильтровывают и высушивают. Размер получаемых частиц лежит в пределах 0,08-0,22 мкм.

Общими признаками известного и предлагаемого способов являются использование растворов сульфата двухвалентного железа и щелочи (NaOH) для получения гидроксида железа Fe(ОН)₂, а также окисление Fe(OH)₂ до образования магнетита.

Недостатками известного способа получения магнетита являются использование дополнительного материала - лепидокрокита, что приводит к удорожанию процесса в целом, высокие энергетические затраты на поддержание температуры в реакторе, перемешивание, подачу воздуха на продувку суспензии, а также длительность проведения процесса.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения магнетита из сульфата двухвалентного железа, который в наибольшей степени пригоден для осуществления его в промышленном масштабе (патент Великобритании №1487008, М.кл.³ C01G 49/08, C01G 49/06, приоритет 24.02.1975). На первой стадии к раствору сернокислого железа (II) при перемешивании добавляют водный раствор щелочи (NaOH или NH₄OH) в количестве, необходимом для осаждения 2/3 железа в виде Fe(OH)₂. Эту операцию проводят при температуре 15-40°С и полученную суспензию продувают воздухом 5-15 л/л реактора × час. В этих условиях должен образовываться гетит по уравнению:

Fe(OH)₂+¹/₄ O₂ → FeO(OH)+¹/₂ H₂O

Процесс контролируется значениями рН и redox потенциала в суспензии. При этом требуется обеспечить соотношение Fe(II)/Fe(III), близкое к 0,5. Затем к суспензии добавляют щелочь для осаждения оставшегося двухвалентного железа в виде Fe(OH)₂. Суспензию нагревают при перемешивании до 70-100°С (преимущественно до 90°С). На этой стадии образуется магнетит по уравнению:

2 α·FeO(OH)+Fe(OH)₂ → Fe₃O₄+2H₂O

Общим признаком известного и предлагаемого способов является наличие стадии образования гидроксида железа (II) и стадии окисления гидроксида железа (II).

Недостатками известного способа следует считать его многостадийность, большие энергетические затраты, сложность контроля за процессом получения магнетита.

Техническая задача заключается в упрощении процесса получения магнетита, снижении энергозатрат и снижении продолжительности процесса.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения магнетита, включающем образование гидроксида железа (II) с последующим его окислением, частичное окисление гидроксида железа (II) проводят раствором CuSO₄, после чего осуществляют промывку полученного осадка с использованием магнитного поля.

Кроме того, частичное окисление гидроксида железа (II) проводят 0,4-6,0% раствором CuSO₄.

Заявляемая совокупность признаков позволяет резко повысить эффективность процесса получения магнетита, снизить энергетические затраты и продолжительность процесса, а соблюдение требуемого соотношения окислителя к количеству Fe(II) в гидроксиде железа (II) или исходном растворе исключает необходимость контроля за отдельными стадиями процесса образования магнетита. Если продолжительность процесса получения магнетита, описанного в прототипе, длится многие часы, то в предлагаемом способе процесс его получения заканчивается в считанные минуты.

Предлагаемый способ получения магнетита осуществляют следующим образом. В реакторе емкостью, достаточной для получения заданного количества магнетита, растворяют соль двухвалентного железа, например FeSO₄. После завершения процесса растворения в реактор добавляют раствор щелочи, в результате чего образуется гидроксид железа (II). В качестве щелочи могут быть использованы NaOH, KOH или NH₄OH.

Процесс образования магнетита можно условно разделить на две стадии: частичное окисление гидроксида железа (II) до железа (III) раствором CuSO₄ и последующая стадия образования магнетита, заключающаяся во взаимодействии гидроксидов железа (II) и железа (III). Скорость образования магнетита может определяться скоростью любой из стадий, а качество магнетита зависит от соотношения скоростей этих стадий.

Высокая скорость процесса окисления Fe(ОН)₂ по предлагаемому способу обеспечивает и высокую скорость образования магнетита. В предлагаемом способе получение магнетита (предположительно) протекает по следующим уравнениям:

а) CuSO₄+2NH₄OH → Cu(ОН)₂

Fe(OH)₂+Cu(OH)₂ → Fe(ОН)₃+CuOH

б) 2Fe(ОН)₃+Fe(OH)₂ → Fe₃O₄·4H₂O

На процесс окисления гидроксида Fe²⁺ раствором CuSO₄ большое значение оказывает концентрация CuSO₄. Наилучшие результаты получены при использовании 0,4-6,0% раствора CuSO₄.

После добавления окислителя к гидроксиду железа (II) полученную суспензию перемешивают еще несколько (до 5 минут), после чего включают магнитную систему, в результате чего образовавшиеся частицы магнетита быстро оседают на стенках сосуда (реактора) в зонах максимальной индукции магнитного поля, а не на дне аппарата. Маточный раствор сливают и аппарат заполняют дистиллированной водой. Выключают магнитную систему, и магнитные частицы при перемешивании хорошо омываются дистиллированной водой. Операцию промывки проводят 2-3 раза, после чего суспензию магнетита отфильтровывают и высушивают. Магнитная система, удерживающая частицы магнетита на стенках реактора, может быть самой различной конструкции. Использование магнитного поля при промывке частиц магнетита позволяет сократить число и продолжительность промывок, т.к. при обычной промывке с декантацией маточного раствора скорость осаждения частиц резко уменьшается при снижении рН маточного раствора, что приводит к увеличению числа промывок и продолжительности промывки магнетита.

Все операции по получению частиц магнетита следует проводить при комнатной температуре, не прибегая к нагреву суспензии гидроксида железа (II) и исходного раствора железа (II).

Пример 1. В 2 л дистиллированной воды растворяют 172,5 г FeSO₄. К раствору приливают 320 мл раствора NH₄OH 25% концентрации. К образовавшемуся гидроксиду Fe²⁺ добавляют при перемешивании 1,5 л раствора, содержащего 99,1 г CuSO₄. Перемешивание продолжают еще 5 минут, после чего дают возможность осесть образовавшимся частицам магнетита. Промывку осадка от солей ведут с использованием магнитного поля, которое удерживает частицы магнетита при сливе маточного раствора. После двукратной промывки частиц магнетита осадок высушивают. Получено 94,6 г магнетита с намагниченностью насыщения 86,3 А·м²/кг, что позволяет сделать вывод об отсутствии немагнитных включений.

Пример 2. Готовят раствор FeSO₄·7H₂O, в котором в 1,2 л воды содержится 86,3 г соли. Раствор смешивают с заранее приготовленным раствором KOH, в который добавлено 54,3 г CuSO₄. Количество КОН в растворе составляет 43,5 г. После смешения растворов перемешивание продолжают еще 5 минут. Суспензию выдерживают в течение 35 минут для осаждения образовавшихся частиц магнетита. Промывку осадка проводят 3 раза, причем в дистиллированную воду для промывки осадка добавляют по 10 мл аммиачной воды для полного удаления ионов меди. Получено 46,9 г магнетита с намагниченностью 83,9 А·м²/кг.

Пример 3. Исходные реактивы (соли железа и меди) в тех же количествах, что и в примере 5. Основное отличие заключается в том, что к раствору двухвалентного железа FeSO₄ добавляют раствор сернокислой меди CuSO₄ и потом добавляют раствор NH₄OH в количестве 160 мл. Перемешивание продолжают еще 5 минут. После осаждения осадка его промывают три раза дистиллированной водой с использованием магнитного поля без добавления в нее аммиака. Промытый осадок высушивают и взвешивают. Магнетит, полученный в количестве 45,7 г, имеет намагниченность насыщения 86,8 А·м²/кг.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить процесс получения магнетита, снизить энергетические затраты, сократить продолжительность процесса.

Изобретение может быть использовано в лакокрасочной и других отраслях промышленности. Способ получения магнетита включает образование гидроксида железа (II) с последующим его окислением. При этом частичное окисление гидроксида железа (II) проводят 0,4-6,0% раствором CuSO₄, после чего осуществляют промывку полученного осадка с использованием магнитного поля. Изобретение позволяет упростить процесс получения магнетита, сократить его продолжительность и снизить энергозатраты. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения магнетита, включающий образование гидроксида железа (II) с последующим его окислением, отличающийся тем, что частичное окисление гидроксида железа (II) проводят раствором CuSO₄, после чего осуществляют промывку полученного осадка с использованием магнитного поля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частичное окисление гидроксида железа (II) проводят 0,4-6,0%-ным раствором CuSO₄.