专利名称：制备稳定的氯化铁溶液的方法
制备稳定的氯化铁溶液的方法
背景技术：
本公开内容大体涉及氯化铁溶液，且更具体地涉及制备适于其运输的稳定的氯化铁溶液的方法，其中在这些溶液中，铁含量为约16-约23重量百分比，且在高于-10°c的温度下不发生沉淀。氯化铁(FeCl3)的水溶液通常用作絮凝剂来用于水处理、硫化氢控制、鸟粪石控制、污泥调节、脱色、磷酸的去除、重金属的去除及石灰的软化应用以及类似应用。对于水处理的应用，三价铁离子对于饮用水和废水的净化都可起到很好的作用。含有氯化铁的溶液可通过各种方法进行制备。比如，氯化铁溶液可通过用氧气(O2)或氯气(Cl2)氧化氯化亚铁；通过用盐酸溶解氧化铁；以及类似方法进行制备。这些铁溶液通常提供约10-约14重量百分比的铁浓度，这是因为当铁浓度按重量计大于15%时，会导致沉淀，当氯化铁溶液经受约0°C或低于0°C的相对低温时尤其会导致沉淀。而且，由于制备氯化铁的很多方法是在反应中将盐酸用作反应物，因此即使在较低的铁浓度下也会导致沉淀，这取决于最终的氯化铁溶液中的盐酸浓度。比如，氧化铁与盐酸生成氯化铁的反应可量化为如下lFe203+6HCl — 2FeCl3+3H20盐酸与氧化铁反应形成反应产物，反应产物包括氯化铁、水及包括未反应的盐酸和未反应的氧化铁的残余物。产物中未反应的盐酸的量通常至多为约几个重量百分比。在 0°C下，氯化铁、盐酸和水体系的相行为如
图1的现有技术所示，即溶液中的最大铁含量随着盐酸的增加而下降，直至超过约15重量百分比的盐酸。从规模经济的角度来说，期望将使氯化铁溶液中可利用的三价铁含量最大并提供铁含量高的氯化铁溶液，该铁含量高的氯化铁溶液在从一个地方运输到另外一个地方的过程中是稳定的，尤其是在相对低的温度下。因此，界定一种提供铁含量增加的稳定的氯化铁溶液的方法和溶液组合物将是期望的并具有显著的商业优势。发明概述本发明公开的是稳定氯化铁溶液的方法和重新构成稳定的氯化铁溶液的方法。在一个实施方式中，用于稳定氯化铁溶液的方法包括从氯化铁溶液中蒸发水分以增加铁含量并降低盐酸浓度；及将氯化铁溶液暴露于有效降低铁含量并增加盐酸浓度的量的气态盐酸，其中最终的铁含量为16-23重量百分比，游离盐酸浓度为10-17重量百分比，且其中氯化铁溶液在-io°c下是稳定的溶液和/或可逆地冻结。在另一个实施方式中，用于形成稳定的氯化铁溶液的方法包括将铁材料与液态盐酸和气态盐酸混合，以形成铁含量为16-23重量百分比且盐酸含量为10-17重量百分比的氯化铁溶液，其中氯化铁溶液在高于-io°c的温度下是稳定的溶液和/或可逆地冻结。用于重新构成铁含量为16-23重量百分比且盐酸浓度为10-17重量百分比的氯化铁水溶液的方法包括稀释氯化铁水溶液以降低铁含量；使稀释的氯化铁水溶液与含亚铁离子的酸洗液混合；及氧化以形成盐酸浓度为小于2重量百分比且三价铁含量为10-14重量百分比的氯化铁溶液。
在另一个实施方式中，用于重新构成铁含量为16-23重量百分比且盐酸浓度为 10-17重量百分比的氯化铁水溶液的方法，包括稀释氯化铁溶液；及将含铁材料加入到氯化铁溶液中，加入的量有效地使盐酸浓度降低到小于氯化铁溶液的2重量百分比且三价铁含量增加到10-14重量百分比。在又一个实施方式中，用于重新构成铁含量为16-23重量百分比且盐酸浓度为 10-17重量百分比的氯化铁水溶液的方法包括从氯化铁溶液中蒸发HCl以同时使氯化铁溶液中的HCl浓度降低到小于5重量百分比且使铁含量增加；及稀释氯化铁溶液以使铁含量降低到10-14重量百分比且盐酸降低到小于2重量百分比。在又一个实施方式中，用于形成稳定的氯化铁溶液的方法包括将铁材料与氯化亚铁和/或氯化铁溶液和气态盐酸混合，以形成铁含量为16-23重量百分比且盐酸含量为 10-17重量百分比的氯化亚铁和/或氯化铁溶液，其中氯化铁溶液在高于-10°C的温度下是稳定的溶液和/或可逆地冻结。可以通过参考以下详细描述的本文所包括的公开内容的各种特征与实施例来帮助理解本公开内容。附图简述现在参考附图，其中类似组成类似地编号图1图示了在-0°C下氯化铁、盐酸与水体系的相行为。图2图示了表现出稳定性、可逆的冻结及2-相沉淀的各种试验性氯化铁溶液。发明详述本发明公开的是形成铁含量为约16-约23重量百分比且在高于-10°C的温度下不发生沉淀的氯化铁溶液的方法。氯化铁溶液是稳定的且非常适于在不同地方间进行运输。图1图示了在-0°C下氯化铁、盐酸(本文中也称为HCl)与水体系的相图。如图所示，0°C下的稳定性曲线表明随着盐酸的量从0增加直至约16重量百分比，作为重量百分比的函数的氯化铁溶液中铁的溶解度是下降的。换言之，随着盐酸浓度增加直至约16重量百分比，氯化铁溶液中的铁溶解度从约15重量百分比铁下降到了约11重量百分比铁。在盐酸浓度大于16重量百分比时，大于15%重量百分比的铁浓度的氯化铁溶液是稳定的。相图表明，盐酸浓度为约11-约17重量百分比时提供了 0°C下稳定的氯化铁溶液，其中铁含量为约16-约23重量百分比。不想被理论所约束，认为在-10°C下将会存在着类似的相行为。现在参考图2，该示了在-io°c下多种氯化铁溶液的沉淀行为，这与图1中o°c下所观察到的相行为是一致的。图2阐述了 -10°c下表现出大于30天的溶液稳定性、可逆地冻结和沉淀的多种氯化铁溶液的实际数据点。类似于图1所观察到的，随着铁重量百分比含量从约16重量百分比增加到约23重量百分比时，需要更少重量百分比的HCl以提供溶液稳定性或可逆地冻结。还应注意，图2中显示了 -10°C下氯化铁溶液可逆地冻结的盐酸浓度区域，该区域可用于扩大由集装箱或列车运输的可用的铁含量与盐酸浓度的范围，使得在约-10°c或高于-10°c的温度下避免氯化铁盐沉淀。很明显，相区中产生可逆地冻结的氯化铁溶液的样品具有不同的动力学性质，这取决于氯化铁溶液中HCl的浓度。本公开内容详述了提供铁浓度为约16-约23重量百分比且盐酸为约10-约17重量百分比的在-10°C下稳定的氯化铁溶液和/或可逆地冻结的氯化铁溶液的方法，因此提供了在相对低温下运输的过程中稳定的高三价铁含量的氯化铁溶液。在其它实施方式中， 最终的铁含量为16-23重量百分比且游离盐酸浓度为11-约17%重量百分比，及在另外其它的实施方式中，最终的铁含量为19-22重量百分比且游离盐酸浓度为13-约17%重量百分比。然后，可在现场重新构成这些稳定的溶液。在一个实施方式中，方法通常包括从氯化铁溶液中蒸发水分以将铁含量增加到期望的量，比如，大于上述的目标量，然后将氯化铁溶液暴露于有效地使铁含量降低到目标量并使游离盐酸浓度增加的量的气态盐酸，其中最终的铁含量为约16-约23重量百分比且游离盐酸浓度为约10-约17重量百分比。在其它实施方式中，最终的铁含量为16-23重量百分比且游离盐酸浓度为11-约17%重量百分比，及在另外其它的实施方式中，最终的铁含量为19-22重量百分比且游离盐酸浓度为13-约17%重量百分比。蒸发可使铁含量增加， 同时除去一部分的盐酸和水。任选地，氯化铁溶液首先是通过氧化氯化亚铁溶液来提供，如含有酸洗液的氯化亚铁。选择铁含量与游离盐酸浓度以提供在-io°c下是稳定的溶液的和 /或可逆地冻结的氯化铁溶液。这样，具有期望的铁含量和盐酸浓度的氯化铁溶液在相对低的温度下能够从一个地方安全地运输到另外一个地方，而不发生沉淀。在另一个实施方式中，含固体铁的材料首先与液态HCl混合，然后加入气态HCl以增强含固体铁的材料的溶解，以提供约16-约23重量百分比的铁含量且游离盐酸浓度为约 10-约17重量百分比。在其它实施方式中，最终的铁含量为16-23重量百分比且游离盐酸浓度为11-约17%重量百分比，及在另外其它的实施方式中，最终的铁含量为19-22重量百分比且游离盐酸浓度为13-约17%重量百分比。含固体铁的材料可以是铁和/或亚铁材料。类似于HCl (g)的吸收，固体铁材料的溶解是放热的。合适的固体铁材料包括但不限于铁、铁屑、铁矿石(比如，赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿以及类似物)、工业形成的所有氧化铁以及类似物。任选地，代替含固体铁的材料，可使用含有大量铁的酸洗液以及类似物。此外，酸洗液可含有亚铁盐、铁盐或其混合物。可通过如蒸馏浓缩酸洗液以增加铁含量，如果需要。在另一个实施方式中，将含固态亚铁的材料与液态HCl和气态HCl混合。随后将亚铁离子氧化成铁离子以提供铁含量为约16-约23重量百分比且游离盐酸浓度为约10-约 17%重量百分比的稳定的氯化铁溶液。在其它实施方式中，最终的铁含量为16-23重量百分比且游离盐酸浓度为11-约17%重量百分比，及在另外其它的实施方式中，最终的铁含量为19-22重量百分比且游离盐酸浓度为13-约17%重量百分比。在一些实施方式中，可以在与气态HCl接触之前进行氧化。在又一个实施方式中，含固体铁的材料与氯化亚铁溶液和/或氯化铁溶液和气态盐酸混合，以形成铁含量为约16-约23重量百分比且盐酸含量为约10-约17重量百分比的氯化亚铁溶液和/或氯化铁溶液，其中氯化铁溶液在高于-io°c的温度下是稳定的溶液和/或可逆地冻结。在其它实施方式中，最终的铁含量为16-23重量百分比，游离盐酸浓度为11-约17%重量百分比，及在另外其它的实施方式中，最终的铁含量为19-22重量百分比且游离盐酸浓度为13-约17%重量百分比。可在与含铁材料和气态盐酸混合之前或之后氧化其中所含的亚铁离子。在又一个实施方式中，式FeCl2 -XH2O的氯化亚铁水合物(比如，二水合物、四水合物以及类似物)可从氯化亚铁酸洗液中沉淀出来且随后分离。然后将水或HCl或酸洗液加入到二水合氯化亚铁中，以形成溶液，随后向该溶液中引入气态HCl。接着，氧化酸化的氯化亚铁溶液以形成铁含量为约16-约23重量百分比且游离盐酸浓度为约10-约17重量百分比的稳定的氯化铁溶液。在其它实施方式中，最终的铁含量为16-23重量百分比且游离盐酸浓度为11-约17%重量百分比，及在另外其它的实施方式中，最终的铁含量为19-22重量百分比且游离盐酸浓度为13-约17%重量百分比。任选地，可以在与气态HCl接触之前，发生溶液中的亚铁离子的氧化。应注意，在这些实施方式中的任意一个实施方式中，起始溶液可含有亚铁离子与铁离子的混合物，如果需要。如果存在亚铁离子(狗2+)，方法还可以包括用氧气(或其它氧化剂如，比如Cl2、NaC103、空气以及类似物)进行氧化以将狗2+的氧化态增加到狗3+。关于用氧气进行氧化，由于稳定化的氯化铁溶液含有高比率的HC1，因此认为可采用较低的氧化温度。高的酸浓度似乎促进氧化。比如，通常需要约70°C-8(TC的温度和6巴的压强来启动由氧气进行的氧化，然后将温度升高至120°C以完成氧化。然而，溶液中存在高含量的酸时，观察到在约20°C且低至3巴的压强下启动氧化，且氧化完成是在约80°C。应注意，如果需要，固体铁材料的溶解(或酸洗液的酸化)和HCl气体的吸收可一步完成。关于磁铁矿固体铁材料，溶解可产生氯化亚铁沉淀，该沉淀可通过过滤除去并按照上述方法进行处理以形成稳定的氯化铁溶液。不希望包含在氯化铁溶液中的气态盐酸的产生被任何具体方法所局限。比如，根据需要，通过氯气和氢气的燃烧可产生HCl气体(g)。有利地，燃烧可产生能量，这种能量也是可利用的。可选择地，可以从浓缩的HCl溶液中蒸馏HCl (g)。可选择性的蒸馏方法是将 H2SO4加入到浓缩的HCl溶液中，由此驱除HCl (g)。然而，这种方法产生价值有限的H2SO4/ HCl稀释混合物。可选择地，多种氯盐与硫酸的反应可用于产生HCl (g)。另外，作为有机氯化作用或合成中的副产物的HCl (g)也可使用。任选地，在暴露于HCl (g)的过程中，可冷却氯化铁溶液。在一个实施方式中，将氯化铁溶液冷却到低于60°C，在其它实施方式中，将氯化铁溶液冷却到低于50°C。例如，蒸馏(S卩，蒸发)含有约18.5重量百分比铁含量和13.6重量百分比盐酸的氯化铁溶液以除去水分，使得以重量百分比计的铁的量从18. 5增加到19. 6，且溶液中游离 HCl的量从13. 6降低到6. 7重量百分比。实际的量如下面的表1所示。表 权利要求
1.一种稳定氯化铁溶液的方法，包括从氯化铁溶液中蒸发水分以增加铁含量并降低盐酸浓度；及将所述氯化铁溶液暴露于有效降低铁含量并增加盐酸浓度的量的气态盐酸，其中最终的铁含量为16-23重量百分比且游离盐酸浓度为10-17重量百分比，及其中所述氯化铁溶液在-io°c下是稳定的溶液和/或可逆地冻结。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述最终的铁含量为16-23重量百分比且所述游离盐酸浓度为11至约17重量百分比。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述最终的铁含量为19-22重量百分比且所述游离盐酸浓度为13至约17重量百分比。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括稀释所述氯化铁溶液，然后加入铁材料，或加入铁材料，然后稀释所述氯化铁溶液，加入铁材料的量有效地消耗并降低所述氯化铁溶液中的盐酸浓度至小于所述氯化铁溶液的5重量百分比。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述铁材料是包括氧化铁、褐铁矿、磁铁矿、赤铁矿及其混合物的固体。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述铁材料是包括含铁的酸洗液的液体。
7.如权利要求4-6所述的方法，其中所述铁材料包括!^2+和!^3+离子，且所述方法还包括将狗2+离子氧化成狗3+。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中蒸发所述水分包括蒸馏所述氯化铁溶液。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在将所述氯化铁溶液暴露于所述气态盐酸的过程中，冷却所述氯化铁溶液。
10.如权利要求4所述的方法，其中所述最终的铁含量为10-14重量百分比。
11.一种用于形成稳定的氯化铁溶液的方法，所述方法包括将铁材料与液态盐酸和气态盐酸混合，以形成铁含量为16-23重量百分比且盐酸含量为10-17重量百分比的氯化铁溶液，其中所述氯化铁溶液在高于-10°C的温度下是稳定的溶液和/或可逆地冻结。
12.如权利要求11所述的方法，其中最终的铁含量为16-23重量百分比且游离盐酸浓度为11至约17重量百分比。
13.如权利要求11所述的方法，其中最终的铁含量为19-22重量百分比且游离盐酸浓度为13至约17重量百分比。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述铁材料是包括氧化铁、褐铁矿、磁铁矿、赤铁矿及其混合物的固体。
15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述铁材料是包括含铁的酸洗液的液体。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述铁材料包括1 2+和1 3+离子，且所述方法还包括将狗2+离子氧化成狗3+。
17.一种用于重新构成铁含量为16-23重量百分比且盐酸浓度为约10至约17重量百分比的氯化铁水溶液的方法，包括稀释所述氯化铁水溶液以降低所述铁含量；将所稀释的氯化铁水溶液与含亚铁离子的酸洗液混合；及氧化以形成盐酸浓度为小于5重量百分比且三价铁含量为10-14重量百分比的氯化铁溶液。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述氯化铁水溶液具有16-23重量百分比的铁含量，且游离盐酸浓度为11-17重量百分比。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述氯化铁水溶液具有19-22重量百分比的铁含量，且游离盐酸浓度为13至约17重量百分比。
20.一种用于重新构成铁含量为16-23重量百分比且盐酸浓度为10-17重量百分比的氯化铁水溶液的方法，包括稀释所述氯化铁溶液；及将含铁材料加入到所述氯化铁溶液中，所加入的量有效地使盐酸浓度降低到小于所述氯化铁溶液的5重量百分比，且使三价铁含量增加至10-14重量百分比。
21.如权利要求20所述的方法，其中向所述氯化铁溶液中加入所述铁材料是以有效地使盐酸浓度降低到小于所述氯化铁溶液的2重量百分比的量进行。
22.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述含铁材料是包括褐铁矿、磁铁矿、 赤铁矿或其混合物的固体。
23.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将溶液中所含有的亚铁离子氧化成铁离子。
24.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述氯化铁水溶液具有16-23重量百分比的铁含量，且游离盐酸浓度为11-17重量百分比。
25.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述氯化铁水溶液具有19-22重量百分比的铁含量，且游离盐酸浓度为13至约17重量百分比。
26.一种用于重新构成铁含量为16-23重量百分比且盐酸浓度为10-17重量百分比的氯化铁水溶液的方法，包括从所述氯化铁溶液中蒸发HC1，以同时使所述氯化铁溶液中的HCl浓度降低并且铁含量增加；及稀释所述氯化铁溶液，以使铁含量降低到10-14重量百分比且盐酸降低到小于2重量百分比。
27.如权利要求沈所述的方法，其中所述氯化铁水溶液具有16-23重量百分比的铁含量，且游离盐酸浓度为11-17重量百分比。
28.如权利要求沈所述的方法，其中所述氯化铁水溶液具有19-22重量百分比的铁含量，且游离盐酸浓度为13至约17重量百分比。
29.一种用于形成稳定的氯化铁溶液的方法，所述方法包括将铁材料与氯化亚铁溶液和/或氯化铁溶液和气态盐酸混合，以形成铁含量为16-23 重量百分比且盐酸含量为10-17重量百分比的氯化亚铁溶液和/或氯化铁溶液，其中所述氯化铁溶液在高于-io°c的温度下是稳定的溶液和/或可逆地冻结。
30.如权利要求四所述的方法，所述方法还包括在与含铁材料和气态盐酸混合之前或之后，将溶液中所包含的亚铁离子氧化成铁离子。
31.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述铁含量为16-23重量百分比，且游离盐酸浓度为11至约17重量百分比。
32.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述铁含量为19-22重量百分比，且游离盐酸浓度为13至约17重量百分比。
全文摘要
提供了形成在相对低温下稳定并适于运输而不发生沉淀的氯化铁溶液的方法。所述稳定的氯化铁溶液的铁含量为16-23重量百分比且盐酸含量为10-17重量百分比，其中所述氯化铁溶液在-10℃下是一种稳定的溶液和/或可逆地冻结。还公开了重新构成稳定的氯化铁溶液的方法，以提供其中所含的最终铁含量为10-14重量百分比且盐酸浓度更低的稳定的氯化铁溶液。
文档编号C01G49/10GK102448889SQ201080022773
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月24日 优先权日2009年5月26日
发明者克里斯特·埃斯基尔松, 斯蒂格·冈纳森, 杰夫·坎贝尔, 简·帕弗立赛克 申请人:凯米拉水处理公司