Безотходные технологии переработки металлического железа, железного лома и отходов металлургических производств. 

Безотходные технологии. Первая стадия: получение

Исходные вещества
— Металлическое железо и его сплавы;
— Железный лом, отходы металлообрабатывающих и металлургических производств;
— Сульфаты натрия или калия;
— Отходы химических и других производств, содержащие сульфаты натри; или калия, в том числе, отходы получения монохромата натрия и ксантогенатов.

Технология получения полупродукта позволяет утилизировать отходы разнообразных производств.
Окисление железа в расплавах сульфатов натрия или калия
Окисление железа приводит к последовательному образованию следующих оксидов:

Fe — FeO — Fe₃U₄ — Fe₂О₃

Обратный процесс Fе₂О₃ — Fe₃O₄ стимулируется повышением температур при котором происходит удаление атомов кислорода из узлов кристаллической решетки.
Для смещения равновесий в сторону соединений железа (III) использованы расплавы сульфатов натрия и калия, анионы которых обладают окислительными свойствами.

2Fe + SO₄^2- + O₂ = Fe₂O₄^2— + SO₂  ↑

Для интенсификации процессов использовано электрохимическое окисление железа в расплавах сульфатов натрия или калия

Железный анод:

Fe – 2e^— = Fe²⁺
Fe²⁺ — e^— = Fe³⁺
2Fe²⁺ + 2SO₄^2-  = Fe₂O₄^2— + SO₂  ↑

Суммарная реакция:

2Fe + 2(Na, K) ₂SO₄ = (Na, K)₂Fe₂O₄ + SO₂  ↑

В объеме расплава происходит образование ферратов (IV) натрия или калия:

2Fe + 2(Na, K) ₂SO₄ + O₂ = 2(Na, K)₂FeO₃ + 2SO₂  ↑

Схема электрохимического окисления железа в расплаве сульфатов натрия и калия

Технологические параметры электрохимического окисления железа в расплаве сульфатов натрия или калия:

— Массовое соотношение — Fe: Na₂SО₄ (K₂SO₄) 1:4 (1:4,5)
— Прикладываемая к электроду мощность — 1,4 — 1,8 кВтM
— Сила тока в цепи электрод — расплав — 100 — 120 А
— Линейная скорость вращения диска — 0,8 -2,2 см/мин.
— Массовая доля железа в продукте — 35 — 42%

Характеристика полупродукта

Безотходные технологии. Вторая стадия синтеза: получение целевого продукта

Исходные вещества
Полупродукт, содержащий соединения желез (III);
— Гидроксиды натрия или калия;
— Отходы химических и других производств, содержащие гидроксиды натия и калия
— Кислород в составе газовоздушной смеси.

Технология получения реагента ФЕРНЕЛ позволяет утилизировать отходы разнообразных производств.

Основные химические процессы

Основные реакции:
2Fe₂O₃ + O₂ + 16(Na, K)OH = 4(Na, K)₄FeO₄ + 8H₂O
2(Na, K)₂Fe₂O₄+ O₂ + 12(Na, K)OH = 4(Na, K)₄FeO₄ + 6H₂O

Побочные реакции:
2(Na, K)₂S + 3O₂ = 2(Na, K)₂O + 2SO₂↑
(Na, K)₂SO₃+ O₂ = (Na, K)₂O + SO₂↑

Состав активной части продукта:
(Na, K)₄FeO₄ · (Na, K)₂O

Технологические параметры синтеза реагента Фернел

Вариант технологии непрерывного получения реагента Фернел

Окислительные свойства реагента Фернел

При растворении в воде ферраты (IV) щелочных металлов диспропроционируют по схеме:
Na₄FeO₄ → Na₂FeO₄ + Fe₂O₄ + NaOH

Окислительная способность феррат-ионов в кислой среде превосходит перманганат-ионы:
Fe³⁺ + 4H₂O = FeO₄^2-+ 8H⁺ + 3e^—
φ = 1,700 – 0,1580 · pH + 0,0197 · lg [FeO₄^2-] / [Fe³⁺]

HFeO₂^— + 2H₂O = FeO₄^2-+ 5H⁺ + 4e^—
φ = 1,001 – 0,0738 · pH + 0,0148 · lg [FeO₄^2-] / [HFeO₂^—]

Области применения
— Технологии очистки сточных и природных вод от соединений мышьяка;
— Технологии очистки сточных вод от цианидов, фосфатов, непредельных углеводородов, радионуклидов;
— Технология очистки хозяйственно-бытовых сточных вод;
— Технология водоподготовки;
— Обеззараживание источников питьевого водоснабжения.

Продукты реагентной обработки являются нетоксичными

Основные характеристики реагента

— Поликристаллический сплав оксидов и ферратов(1\/)—(VI) натрия и калия;
— Плотность 3220-3740 кг/мЗ;
— По окислительной способности превосходит перманганат калия;
— Высокая окислительная активность сохраняется в течение 720 часов после приготовления при условии хранения в свето- и влагонепроницаемой упаковке;
— Хорошо растворяется в воде, образуя раствор красно-фиолетового цвета. Растворение сопровождается частичным разложением с выделением газообразного кислорода и осаждением гидроксида железа(Ш);
— Раствор не подлежит длительному хранению и используется в течение четырех часов после приготовления.

Исключается вторичное загрязнение обрабатываемых растворов
— Реагент ФЕРНЕЛ заменяет такие традиционные окислители, как пиролюзит, хлорная известь и др., применение которых приводит к вторичному загрязнению растворов соединениями марганца и хлора;
— Произведение растворимости арсената железа(III) равно 5,8·10^-21, что обеспечивает концентрации мышьяка в растворе ниже ПДК в технологиях очистки мышьяк-содержащих природных и сточных вод:

Реагент Фернел может обезвреживать соединения мышьяка (III) как в кислых, так и в щелочных растворах
6AsO₂^— + 6FeO₄^2- + 6H₂O = 6FeAsO₄ ↓ + 3O₂ + 12OH^—
6AsO⁺ + 6FeO₄^2- = 6FeAsO₄ ↓ + 3O₂

Вследствие гидролиза концентрация мышьяка в растворе увеличивается
С_As = [AsO₄^3-] + [HAsO₄^2-] + [H₂AsO₄^—] + [H₃AsO₄]

Для обеспечения достаточной полноты очистки кислотность среды следует поддерживать не ниже 6,5 единиц рН

Технологическая схема очистки кислых растворов от мышьяка

Выходной контроль материалов

При осуществлении технологии периодическому контролю подвергаются:
— содержание водорастворимых соединений мышьяка(III),
— содержание кислоторастворимых соединений железа в реагенте ФЕРНЕЛ
— окислительная активность реагента ФЕРНЕЛ по отношению к реакции окисления мышьяка(Ш) до мышьяка(У).

Контроль осуществляется с помощью стандартных физико-химических методик, применяемых в аналитической химии.

Безотходные технологии​. Контроль технологического процесса

В процессе работы постоянному контролю и управлению подвергаются:
— уровень заполнения приемных резервуаров обрабатываемой воды;
— уровень заполнения реакторов для обезвреживания и кристаллизации соединений мышьяка;
— водородный показатель пульпы в реакторе для обезвреживания и кристаллизации соединений мышьяка;
— водородный показатель подлежащего очистке технологического раствора в резервуаре-усреднителе для приемки и корректировки сточной воды;
— содержание мышьяка в воде после очистки.