способ получения феррата ( vi ) натрия

Формула изобретения

Способ получения феррата (VI) натрия путем взаимодействия пероксида натрия и оксида железа (III), отличающийся тем, что взаимодействие осуществляют в присутствии горючего, в качестве которого используют углерод, вводимый в количестве 1,5-2,5% от массы взаимодействующих компонентов, причем для приготовления исходной шихты сначала смешивают оксид железа (III) и углерод, затем к полученной смеси добавляют пероксид натрия, а взаимодействие оксида железа (III), пероксида натрия и углерода инициируют локальным разогревом шихты до температуры около 500°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения феррата (VI) натрия (Na₄FeO₅) и может найти применение в различных отраслях промышленности, где используются мощные и селективные окислители.

Известен способ получения ферратов щелочных металлов [патент США № 4545974, НКИ 423/594.2, 1985 г.], состоящий во взаимодействии между оксидами железа (Fe₂O₃ или Fe ₃O₄) и нитратами соответствующих щелочных металлов в атмосфере азота при температурах от 780 до 1100°С. Данный способ имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, проведение процесса в атмосфере азота при высоких температурах сложно и связано с большими затратами энергии. Кроме того, в результате данного процесса получается скорее смесь ферратов щелочных металлов (Ме₂FeO₃ и Ме₂FeO₄ ) чем чистый Me₂FeO₄.

Известен способ получения ферратов (VI) щелочных и щелочно-земельных металлов [патент США № 7115242, НКИ 423/594.2, 2006 г.], состоящий во взаимодействии соединений трехвалентного железа с гидроксидом металла и персульфатами калия, натрия, аммония при температуре 250-500°С в течение до 10 часов. При указанных условиях синтеза все железо переходит из степени окисления +3 в степень окисления +6. Однако данный способ также имеет ряд недостатков. Во-первых, использование в качестве окислителя персульфатов не позволяет получать чистый препарат (продукт синтеза будет существенно загрязнен сульфатами щелочных металлов) и, во-вторых, проведение процесса при высоких температурах в течение длительного времени также требует существенных энергозатрат.

Известен способ получения феррата натрия [ЖНХ, 1989 г, т.34, № 9, с.2199-2202, или А.с. СССР № 1318530, МКИ C01G 49/00, 1987 г.], согласно которому феррат натрия получают путем взаимодействия пероксида натрия и оксида железа (III) при мольном соотношении Na/Fe=4/1 в температурном интервале 350-370°С в токе кислорода в течение более 14 часов. Смешение исходных реагентов проводили под слоем четыреххлористого углерода, осушенного двукратной перегонкой над фосфорным ангидридом. Причем использовался двухступенчатый режим нагревания: 2 часа при 150-200°С и не менее 12 часов при 350-370°С. По данным рентгено-фазового анализа продукт синтеза содержит только железо в степени окисления +6.

Однако данный способ, хотя и обеспечивает высокое содержание основного вещества в продукте синтеза, является скорее лабораторным (получение целевого продукта в больших количествах данным способом проблематично), так как при его осуществлении требуется проведение сложных технологических операций, сопряженное с большим расходом исходных реагентов. Следует особо отметить, что использование в больших количествах четыреххлористого углерода представляет серьезную опасность для обслуживающего персонала, а необходимость его дальнейшей утилизации - для окружающей среды.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения ферратов щелочных металлов [патент США № 4551326, НКИ 423/594.2, 1985 г.], включающий взаимодействие в температурном диапазоне от 400 до 700 перекисного соединения щелочного металла и различных соединений железа (оксиды железа) или элементарного железа в отсутствие кислорода (вакуум или атмосфера инертного газа). Основные недостатки данного способа - низкий выход основного вещества (не более 16% массовых) и необходимость проведения процесса в отсутствие кислорода при высоких температурах, что требует использования сложного технологического оборудования и сопряжено с высокими затратами электроэнергии.

Задачей изобретения является создание экономичного способа получения феррата натрия (Na₄FeO₅), обеспечивающего получение продукта с высоким содержанием основного вещества.

Задача изобретения решается тем, что в способе получения феррата (VI) натрия путем взаимодействия перекисного соединения щелочного металла и оксида железа (Fe₂О₃ ), в качестве перекисного соединения щелочного металла используют пероксид натрия (Na₂О₂), а взаимодействие компонентов осуществляют в присутствии горючего.

Способ осуществляют следующим образом. Вначале готовят шихту, для чего смешивают исходные компоненты - оксид железа (III) и горючее. В качестве горючего могут быть использованы различные аллотропные модификации углерода. Затем добавляется пероксид натрия. Оксид железа и горючее перед синтезом сушат до остаточной влажности не более 0,5% массовых. Шихта для синтеза должна содержать оксид железа (III) и пероксид натрия при соотношении атомов Na/Fe=4/1 (возможен избыток атомов Na до 5%). При другом соотношении получается или смесь ферратов различного химического состава (соотношение атомов Na/Fe меньше 4), или продукт излишне загрязнен щелочью. Горючее добавляют в соотношении, определяемом особенностями химических взаимодействий взятой системы компонентов.

С целью избежания создания взрывоопасных мольных соотношений горючее (углерод) - пероксид натрия смешение исходных компонентов осуществляют в две стадии. На первой стадии смешивают оксид железа и горючее. На второй стадии к полученной смеси добавляют перекисное соединение.

Полученную таким образом шихту помещают в реактор. Исходная шихта может также прессоваться в таблетки, блоки любым известным способом (на гидравлическом прессе, на роторном таблеточном прессе, методом изостатического прессования и т.д.). В случае прессования исходной шихты в виде блоков они дробятся на любой дробилке, в результате чего получают продукт, имеющий полидисперсный состав. Гранулированный продукт помещают в реактор с помощью виброуплотнения.

Взаимодействие исходных компонентов инициируют локальным разогревом шихты до температуры порядка 500°С.

После инициирования в начальный момент протекает эндотермическая реакция между оксидом железа (III) и пероксидом натрия, в результате которой образуется феррат натрия и кислород:

Fe₂O₃+4Na ₂O₂->2Na4FeO₅+0,5О₂

Выделившийся кислород вступает во взаимодействие с горючим по уравнению реакции:

С+O₂ CO₂

При этом выделяющаяся энергия способствует дальнейшему протеканию основной эндотермической реакции. Горючее при этом сгорает полностью без образования твердого остатка. Реакции такого типа, когда энергия, необходимая для протекания основной эндотермической реакции, генерируется в процессе синтеза за счет протекания вспомогательной экзотермической реакции, называют реакциями самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

При наличии в исходной шихте менее 1,5% массовых углерода (горючего) процесс синтеза феррата натрия предложенным способом не происходит, а при содержании в исходной шихте углерода более 2,5% возникает возможность взрывоопасной ситуации и не исключено неполное его выгорание, что снижает содержание основного вещества в продукте синтеза.

Полученный продукт охлаждают и размалывают в порошок традиционными методами в отсутствие прямого контакта с влажным воздухом.

Полученный по описанным ниже примерам феррат натрия был подвергнут качественному рентгено-фазовому анализу, который подтвердил в целевом продукте наличие железа только в степени окисления +6.

Пример 1.

Смешивают 1,6 кг оксида железа (III) и 0,09 кг углерода. К полученной смеси добавляют 3,15 кг пероксида натрия. Смешение производится обычным способом до получения однородного состава исходной шихты. Полученную шихту прессуют в таблетки. После этого таблетки на виброустановке загружают в реактор. Инициирование высокотемпературного самораспространяющегося синтеза осуществляют локальным нагревом шихты электрической спиралью до температуры около 500°С. Далее начинается непосредственно процесс высокотемпературного самораспространяющегося синтеза. Конечный продукт содержит 93% феррата натрия.

Пример 2.

Смешивают 1,6 кг оксида железа (III) и 0,127 кг углерода. К полученной смеси добавляют 3,35 кг пероксида натрия. Далее, как в примере 1. Конечный продукт содержит 91% феррата натрия.

Пример 3.

Смешивают 1,6 кг оксида железа (III) и 0,075 кг углерода. К полученной смеси добавляют 3,25 кг пероксида натрия. Далее, как в примере 1. Конечный продукт содержит 89% феррата натрия.

Как видно из приведенных в примерах данных, предложенный способ получения феррата натрия обеспечивает более высокое содержание основного вещества в продукте реакции, чем рассмотренные выше аналоги. Кроме того, предложенный способ позволяет свести к минимуму энергозатраты при синтезе феррата (VI) натрия.

Следует также отметить, что при промышленном производстве феррата (VI) натрия по предложенному способу возможно аккумулирование и дальнейшее использование выделяющейся в процессе синтеза тепловой энергии для технических целей.