Спосіб отримання феррату-4 натрію - патентУкраїна 2149833 - Халемський А
Винахід призначений для хімічної промисловості і може бути використаний при отриманні окислювачів для переробки руд, при очищенні стічних вод від миш'яку, відпрацьованих ціанідів. Готують розплав Na2SO4, заливають у реактор. Підтримують температуру 850-1100 o З регулюванням напруги за зміни сили струму. Використовують знімний пакет сталевих електродів як залізовмісні речовини. Через розплав барботують стиснене повітря. Винахід дозволяє отримати феррат-4 натрію у промислових масштабах з використанням недорогої, недефіцитної сировини. 3 табл., 3 іл.
Малюнки до патенту Україна 2149833
Винахід відноситься до хімічної технології неорганічних речовин, зокрема до способів отримання сполук заліза в ступенях окислення вище трьох, які можуть використовуватися, наприклад, як лужні окислювачі при переробці поліметалевих руд замість лугів, нітратів, гіпохлоритів, перманганатів, піролюзиту, пероксидів, персульф т.п., а також в окислювально-відновних процесах різної природи, наприклад, для очищення стічних вод від миш'яку в сірчанокислотному виробництві або відпрацьованих ціанідів при екстракції дорогоцінних металів.
Відомий спосіб отримання феррату-4 натрію шляхом прожарювання фериту натрію Na2Fe2O4 при t = 400-600 o C з трикратним надлишком соди Na2CO3 в інертній атмосфері протягом чотирьох годин з наступним прожарюванням протягом однієї години в струмі кисню35 5 23 - 50, оп. 1958 р.).
Недоліком даного способу є його двостадійність через необхідність попереднього отримання фериту натрію та обумовлена цим більша тривалість (5-6 годин) процесу. Використання інертного газу танепродуктивного надлишку дорогої соди призводить також, поруч із тривалістю процесу, до високої вартості феррата-4.
Відомий також спосіб отримання ферратів лужних металів, при якому нагрівають реакційну суміш, що складається з частинок елементного заліза і пероксиду натрію (Na2O4) в молярному відношенні від 1:1,8-1:1,25 при t o 500 o C протягом достатнього часу для протікання екзотермічної реакції між реагентами з утворенням феррату лужного металу, що містить в аніоні чотиривалентне залізо. Реакцію ведуть відсутність вільного кисню, в атмосфері інертного газу (пат. США N 4385045, C 01 G 49/00, 423-594, заявл. 26.02.81, опубл. 24.05.83, ІЗР N 1, 19
Недоліком способу є використання пероксиду натрію Na2О2, який не виробляється у великому масштабі та має дуже високу вартість. Застосування інертного газу також призводить до подорожчання процесу.
Відомий спосіб отримання феррату-4 натрію, прийнятий за прототип, що включає прожарювання оксиду заліза з пероксидом натрію або з їдким натром при продуванні кисню при t o 400-700 o C (R.Scholder, Герм. S. 1013272, kl12 .26 2. 1955, Ch. Zbl, 4, 1114, 1958 р.).
Недоліком способу є неможливість здійснення його у великому промисловому масштабі, так як пероксид натрію Na2O2 не виробляється у великих кількостях, дефіцитів та доріг. При використанні ж їдкого натру продуктивність процесу дуже мала через низьку швидкість реакції. Їдкий натр, крім того, є дорогим та дефіцитним продуктом у порівнянні, наприклад, із кальцинованою содою.
Загальним недоліком існуючих способів синтезу феррату-4 натрію, включаючи спосіб - прототип, є відсутність технологічних розробок для його промислового одержання через головнечином, слабку вивченість хімічних властивостей застосування.
Завданням, на вирішення якого спрямовано даний винахід, є розробка і створення недорогого способу промислової технології отримання феррату-4 натрію при використанні недефіцитної сировини, що містить натрій, з низькою вартістю, наприклад натрійсодержащих відходів.
Для вирішення поставленої задачі в способі отримання феррату-4 натрію шляхом взаємодії натрійвмісної сполуки з залізовмісною речовиною в окислювальній атмосфері, згідно винаходу, як натрійвмісні сполуки використовують сульфат натрію в розплаві при t o = 850 - 1100 o C при пропусканні через нього змінного струму знімного пакету сталевих електродів
Сульфат натрію є мало споживаним у промисловості побічним продуктом багатьох виробництв, наприклад, хромових сполук, використанню якого перешкоджає його забрудненість шестивалентним хромом. Без попереднього очищення такий "жовтий" сульфат натрію перетворюється на великотоннажні відходи виробництва, поховання яких надзвичайно утруднене через його високу розчинність під впливом атмосферних опадів. Тому використання сульфату натрію як сировини для отримання феррату-4 натрію дозволяє усунути його шкідливий вплив на навколишнє середовище, а також знижує вартість виробництва при заміні ним дорогих содових (каустичної, кальцинованої) матеріалів або пероксиду натрію.
В процесі отримання феррату сульфат натрію разом з продуктами реакції підтримується в розплавленому стані в інтервалі t o = 850 - 1100 o C, так як при нижчих температурах розплав твердне, а більш високі температури сприяють розкладу феррату. Необхідна температура розплаву підтримується пропусканнямчерез нього промислового змінного струму з використанням пакета сталевих електродів. Так як сталеві електроди при цьому витрачаються як сировина на отримання феррата-4 при взаємодії їх з розплавленим сульфатом натрію, то для здешевлення процесу сталевих електродів застосовують вторинний металобрухт (труби, рейки, куточок, таврові балки і т.п.). Конструкція пакетів, як і кількість електродів у ньому, розраховуються на основі конкретно заданої продуктивності, підтримки плава в рідкому стані та використовуваної вхідної промислової напруги (силових трансформаторів).
Спосіб здійснюють наступним чином.
У пусковому періоді розплав сульфату натрію готують окремо і заливають електрореактор при включених електродах. Розплав підтримується в інтервалі температур 850 - 1100 o C регулювання загальної напруги на електрореакторі при зміні сили струму. Одночасно із заливкою розплаву в електрореактор подають стиснене повітря під тиском так, щоб спостерігалося пробулювання повітря (барботаж) через розплав, а в навколоелектродному просторі створювалося псевдокипіння (рух розплаву).
У розплаві йде кілька електрохімічних та хімічних процесів.
1. Взаємодія розплавленого сульфату натрію з металевим залізом Fe + Na2SO4 ---> Na2Fe2O4 + SO2.
2. Анодне розчинення заліза з наступним окисленням 3. Електроліз сульфату натрію Катод: Анод: Na2SO4 ---> SO4 -2 ---> SO2+0,5O2.
4. Утворення феррату-4 натрію в розплаві Na2Fe2O4 + Na2O2 + O2 ---> Na2FeO3 Таким чином, в ідеальних умовах весь сумарний процес є перетворенням сульфату натрію та сталевих електродів на феррат-4 натрію.
При вивантаженні зливають розплав не повністю, дозуючи в те, що залишилося вреакторі кількість порошкового сульфату натрію в міру розплавлення з метою забезпечення безперервності процесу без зупинок Отриманий розплав феррату-4 натрію (суміш феррату-4, пероксиду та сульфату натрію) прямо в рідкому стані може заливатись в реактор розплавного типу для переробки, наприклад, хромітової руди замість соди та наповнювача або вживатися також замість соди (вже у вигляді охолодженого та подрібненого) плава) в тамбурних печах "окислювального прокалювання" з наповнювачем (як правило, доломіт, вапняк або залізовмісні оксидні відходи).
Газоповітряну суміш, що містить сірчистий ангідрид SO2, рекомендується компресувати та постачати у вигляді рідкого товарного продукту в цистернах споживачам, особливо у численних хіміко-органічних виробництвах, а саме: фармакологія - сульфопрепарати; миючі засоби; ПАР; іонообмінні смоли і т.д.
Газоподібний і рідкий сірчистий ангідрид може використовуватися прямо на місці для виробництва біхроматів і хромового ангідриду замість привізної сірчаної кислоти.
Спосіб промислового виробництва феррату-4 натрію може бути здійснений у пристроях, різноманітних за формою, продуктивністю та інфраструктурою подальшого використання.
Деякі представлені в прикладах на фіг. 1; 2; 3.
На фіг. 1 представлений електрореактор прямокутної форми (600 х 500 х 700), виконаний з магнезиту та фанерований зовні листовою нержавіючою сталлю.
Остання електрично заземлена. Пакет з 20 електродів 1, в якості яких використовуються некондиційні (вторинний брухт) сталеві трубопроводи 60 мм з товщиною стінки 10 мм, розміщені в 4 ряди (5) в отворах азбоцементної плити, яка одночасно служить кришкою 2 електрореактора. У центрі плити розміщуєтьсятрубопровід барботера 360 мм для подачі стисненого повітря, збагаченого киснем. Вихідні патрубки барботера загнуті в одному напрямку для надання розплаву обертального руху реактивним струменем стиснутого повітря.
Електроди 1 розміщуються у розплаві сульфату натрію на глибину 500 мм. Початкова відстань між електродами складає 50 мм. У період дослідного прикладу воно збільшується в середньому до 60 мм в результаті розчинення електродів.
Промислова змінна напруга через автотрансформатор подається тільки крайні ряди з 5 електродів. Два внутрішні ряди є біполярними. Розплав сульфату натрію в кількості близько 160 кг заливається в електрореактор при включених електродах з одночасною подачею стисненого повітря з киснем.
На фіг. 2 представлений приклад занурювального електродного пакета, в якому біполярна частина виконана у вигляді сталевого перфорованого контейнера 1 з розміщеною в ній сталевою стружкою 2 змішаної з шматковим ломом. Напруга подають на два зовнішні електроди 3, виконаних з листової сталі товщиною 20 мм. Електрореактор, у якому розміщується даний електропакет, має, як і на фіг. 1, прямокутну форму. Товщина стінок сталевого перфорованого контейнера 10-15 мм. Барботер 3 для такого електрореактора виконаний у вигляді рами зварених труб, що мають отвори для виходу стисненого повітря, який укладається на дно електрореактора.
На фіг. 3 представлений циліндричний електрореактор, по периметру внутрішньої стінки якого розташовуються сталеві електроди, виконані з таврових балок, що вийшли з вживання (можуть виконуватися також з вторинного брухту та інших відповідних форм, наприклад, рейок, куточків і т.п.).
На фіг. 3 вони показані у вигляді паралелепіпедів. В центріреактора 1 знаходиться трубопровід барботера, у свою чергу, поміщений в декількох трубах, що надягають один на одного з тим, щоб загальна товщина такого каркаса (труба в трубі) становила 30-40 мм.
Цей каркас виконує роль другого електрода. Електрореактор на фіг. 3 немає біполярних електродів. Якість продукту - феррата-4 натрію - у всіх трьох електрореакторах (фіг. 1, фіг. 2, фіг. 3) практично визначається тільки часом реакції. Це видно з кінетичних величин вмісту сірки у розплаві (табл. 1, табл. 2, табл. 3).
Переваги технічного рішення, що заявляється, порівняно з відомими полягають у наступному: 1. Розроблено промислову технологію отримання феррату-4 натрію. Це дозволяє замінити їм дорогі або дефіцитні луги та окислювачі, що використовуються у безлічі хіміко-металургійних виробництв, а саме: - переробка ільменітових та хромітових руд (замість соди та окислювачів); - очищення стічних вод від миш'яку (замість піролюзиту); - в золотодобувній промисловості для знешкодження відпрацьованих ціанідних розчинів замість гіпохлоритів, що призводять до вторинного небезпечного забруднення ними води.
2. В якості основної сировини використовуються будь-які відходи натрію хіміко-металургійних виробництв, наприклад, у вигляді сульфату натрію, а також брухт чорних металів.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Спосіб отримання феррату-4 натрію шляхом взаємодії натрійвмісної сполуки з залізовмісною речовиною в окислювальній атмосфері, який відрізняється тим, що в якості натрійвмісної сполуки використовують сульфат натрію в розплаві при t = 850 o - 1100 o C при пропусканні через нього змінного струму за допомогою знімного пакету електродів.