CN105503441A - 一种利用硫酸亚铁制备缓释铁肥的方法 - Google Patents

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张其武
李学伟
宋少先
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Abstract

本发明公开了一种利用硫酸亚铁制备缓释铁肥的方法，包括以下步骤：将硫酸亚铁基原料、固化剂和碳酸钠进行混合，加水配成高浓度浆体；然后放入行星磨进行研磨，控制球料比为35～70，研磨速度为300～800rpm，研磨时间为30～120min，所得产物烘干得缓释铁肥。本发明采用机械力研磨手段，将硫酸亚铁基原料与固化剂加入水研磨，并在碳酸钠的催化下，使硫酸亚铁转化成碳酸亚铁和针铁矿，并伴随生成不溶于水的二水硫酸钙，将产品烘干，即得到具有缓释效果的铁肥。本发明所得产物在接近中性(pH？6～7)环境中不会溶出铁离子；在酸性(pH？1～3)环境中，铁离子缓慢释放，考虑到植物根部的酸性环境，可用作缓释铁肥。

Description

一种利用硫酸亚铁制备缓释铁肥的方法
技术领域
本发明属于固废处理领域，具体涉及一种利用硫酸亚铁制备缓释铁肥的方法。
背景技术
钛白粉行业是国民经济中不可或缺，但污染又较重的一类工业行业的典型。在钛白粉的生产中，传统硫酸法占据市场主导地位。在硫酸法钛白生产中，当以锐钛矿为原料时，将有大量的钛白副产物硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)产出，每生产1吨TiO2，产出硫酸亚铁量约3～4吨。2013年全国实现钛白粉总产量215万吨，其中锐钛型钛白粉为51万吨，占钛白粉总产量的23.7％，产硫酸亚铁量可达150-200万吨。预计未来几年我国钛白将至少保持200万吨/年的需求量，如果钛白粉原料结构变化不大，那么，未来五年的硫酸亚铁的累计产量将达到750～1000万吨。如此大量的硫酸亚堆积，直接影响钛白粉装置和生产。更为严重的是硫酸亚铁具有酸性和一定的腐蚀性，长期堆放，这不仅造成资源的浪费，而且污染环境。硫酸亚铁的回收利用是所有钛白粉生产厂家十分重视并迫切希望解决的一个重要课题。
目前，我国开发利用的主要应用范围大致为：制备铁系颜料并联产硫酸或硫酸盐(CN104016418A,CN102583575A,CN103964512A,CN103072953A,CN102976413A)；用于生产铁精粉(CN102502527A,CN103864130A,CN102344123A)；合成污水处理药剂(CN102951713A,CN103523950A,CN103991941A)；饲料添加剂(CN203625065U)等。其中，用于生产铁系颜料的量最大，其次是生产铁精粉和污水处理，很少一部分用于饲料添加剂。但是，这些开发手段面临市场需求不足，无法满足大量有效的消化利用硫酸亚铁的要求，而且均采用溶液化学方法处理，在处理过程中容易造成环境的二次污染。因此，新工艺技术的研发，开拓硫酸亚铁资源化利用范围和途径，对环境保护和钛白粉工业经济的健康发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用硫酸亚铁制备缓释铁肥的方法，该方法涉及的制备工艺简单、成本低、环境友好；且所得产物铁离子的缓释效果好，具有重要的经济效益和环境效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用硫酸亚铁制备缓释铁肥的方法，包括如下步骤：将硫酸亚铁基原料、固化剂和碳酸钠进行混合，加水配成高浓度浆体；然后放入行星磨进行研磨，控制球料比为35～70，研磨速度为300～800rpm，研磨时间为30～120min，将所得产物进行烘干得缓释铁肥。
根据上述方案，所述硫酸亚铁基原料为以硫酸法生产钛白时产生的硫酸亚铁固体废弃物或市售硫酸亚铁工业产品。
根据上述方案，所述硫酸亚铁固体废弃物中FeSO4·7H2O的质量纯度≥89％。
根据上述方案，所述固化剂为碳酸钙或碳酸钙矿物。
根据上述方案，所述碳酸钙矿物为石灰石或方解石等。
根据上述方案，所述硫酸亚铁基原料中的硫酸亚铁、固化剂和碳酸钠的摩尔比为1:(0.7～1):(0.1～0.3)。
根据上述方案，所述高浓度浆体中硫酸亚铁、固化剂和碳酸钠的总质量与水的体积之比为0.1～10.0g/mL。
根据上述方案，所述烘干温度为60～100℃。
本发明利用机械力研磨手段，将硫酸亚铁基原料与固化剂的混合物加水进行研磨，并加入碳酸钠，碳酸钠的存在促进碳酸亚铁(FeCO3)的生成，Na2CO3在高浓度浆体中，在机械力搅拌条件下，迅速解离为Na+和CO3 2-，诱发Fe2++CO3 2-→FeCO3的生成，CaCO3在此条件下，解离出的一部分CO3 2-也参与反应，最后使硫酸亚铁转化成碳酸亚铁(FeCO3)和针铁矿(FeO(OH))，并伴随生成不溶于水的二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，将所得产物进行烘干，即得到具有缓释效果的铁肥。所述缓释铁肥，其在接近中性(pH＝7～6)的水环境中，铁离子不会溶出；在酸性环境(pH＝1～3)中，铁离子缓慢释放；可用作植物根部的缓释铁肥。
本发明的有益效果为：
1)本发明采用一步合成缓释铁肥，涉及的制备工艺简单，反应条件温和，具有节能、高效、环保的优点。
2)本发明可以钛白副产物硫酸亚铁等为原料，并以廉价易得的碳酸钙作为固化剂，涉及的产品原料成本低。
3)本发明解决了钛白工业中酸性固废存在的环境污染的问题，使固体废物得到重新利用，具有良好的环境和经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1所得产物在初始pH＝2和pH＝7的水溶液中铁离子的溶出量。
图2为本发明实施例1所得产物的XRD图谱。
图3为本发明实施例2所得产物在初始pH＝2和pH＝7的水溶液中铁离子的溶出量。
图4为本发明实施例2所得产物的XRD图谱。
图5为本发明对比例所得产物在初始pH＝2和pH＝7的水溶液中铁离子的溶出量。
图6为本发明对比例所得产物的XRD图谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中采用的硫酸亚铁基原料为硫酸亚铁为以硫酸法生产钛白时产生的硫酸亚铁固体废弃物和硫酸亚铁市售工业品，其中钛白副产物固体废弃物组成见下表：
所述硫酸亚铁市售工业品中FeSO4·7H2O的质量含量为99.0～100％。
所述碳酸钠和碳酸钙均为市售工业产品。
实施例1
一种利用硫酸亚铁制备缓释铁肥的方法，包括以下步骤：
将钛白副产物硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、碳酸钙(CaCO3)和碳酸钠(Na2CO3)以1:0.7:0.3的摩尔比进行混合，固体总质量为4g，加入水0.4mL配成高浓度浆体，然后放入行星磨中进行研磨，其中球料比为35，研磨速度为500rpm、时间为120min，将研磨所得产物在60℃下进行烘干，得缓释铁肥。
取2g本实施例所得产物分别置于pH为7和2的水溶液中，其中水溶液的pH由柠檬酸进行控制，以模拟植物根部酸性环境；然后分别在3h、24h、48h、72h、96h、120h和144h时，取样检测溶液中的铁离子浓度。将同等条件下的2g样品溶于浓盐酸中直至铁离子的溶出量不变，此时的值作为样品铁溶出的极限值，测定结果为425mg。
图1为本实施例所得产物的铁离子溶出量与时间和pH的关系，由图可知，在pH为2的条件下，铁离子的溶出量随着时间的延长而增加，且铁离子逐步缓慢溶出；在pH为7的条件下，铁离子的溶出量随着时间的延长而降低。上述现象表明铁离子在中性环境下不会溶出，在酸性条件下(植物根部等)，会缓慢溶出铁离子，被植物吸收。
图2为本实施所得产品的XRD图谱，由图可知，硫酸亚铁、碳酸钙和碳酸钠在机械力研磨作用下转变成了针铁矿(FeO(OH))、FeCO3和硫酸钙(CaCO3·2H2O)。
实施例2
一种利用硫酸亚铁制备缓释铁肥的方法，包括以下步骤：
将市售硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、碳酸钙(CaCO3)和碳酸钠(Na2CO3)以1:0.9:0.1的摩尔比进行混合，固体总质量为4g，加入水10mL配成高浓度浆体，然后放入行星磨中进行研磨，其中球料比为70，研磨速度为300rpm、时间为60min，将研磨所得产物在70℃下进行烘干，得缓释铁肥。
取2g本实施例所得产物分别置于pH为7和2的水溶液中，其中水溶液的pH由柠檬酸进行控制，以模拟植物根部酸性环境；然后分别在3h、24h、48h、72h、96h、120h和144h时，取样检测溶液中的铁离子浓度。将同等条件下的2g样品溶于浓盐酸中直至铁离子的溶出量不变，此时的值作为样品铁溶出的极限值，测定结果为423mg。
图1为本实施例所得产物的铁离子溶出量与时间和pH的关系，由图可知，在pH为2的条件下，铁离子的溶出量随着时间的延长而增加，且铁离子逐步缓慢溶出；在pH为7的条件下，铁离子的溶出量随着时间的延长而降低。上述现象表明铁离子在中性环境下不会溶出，在酸性条件下(类似植物根部环境)，会缓慢溶出铁离子，被植物吸收。实施例2比实施例1中的铁离子的溶出量整体相对比较少，这与样品中碳酸亚铁量的多少有关，而碳酸钠的多少决定了碳酸亚铁量的多少，说明碳酸钠对单位质量铁肥铁离子溶出量具有增大效用。
图4为本实施所得产物的XRD图谱，由图可知，硫酸亚铁、碳酸钙和碳酸钠在机械力研磨下转变成了针铁矿(FeO(OH))、FeCO3和硫酸钙(CaCO3·2H2O)。其中FeCO3的峰强度相对于实施例1比较弱，源自于碳酸钠用量的减少。
对比例
一种利用硫酸亚铁制备缓释铁肥的方法，包括以下步骤：
将硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)、碳酸钙(CaCO3)和碳酸钠(Na2CO3)以1:1:0的摩尔比进行混合，固体总质量为4g，加入水2.5mL配成高浓度浆体，然后放入行星磨中进行研磨，其中球料比为40，研磨速度为800rpm、时间为30min，将研磨所得产物在90℃下进行烘干，得缓释铁肥。
取2g本对比例所得产物分别置于pH为7和2的水溶液中，其中水溶液的pH由柠檬酸进行控制，以模拟植物根部酸性环境；然后分别在3h、24h、48h、72h、96h、120h和144h时，取样检测溶液中的铁离子浓度。将同等条件下的2g样品溶于浓盐酸中直至铁离子的溶出量不变，此时的值作为样品铁溶出的极限值，测定结果为420mg。
图5为本对比例所得产物的铁离子溶出量与时间和pH的关系，由图可知，由图可知，在pH为2的条件下，铁离子的溶出量随着时间的延长而增加，且铁离子逐步缓慢溶出；在pH为7的条件下，铁离子的溶出量随着时间的延长而降低。上述现象表明铁离子在中性环境下不会溶出，在酸性的植物根部，会缓慢溶出铁离子，被植物吸收。对比实施例1，对比例中的铁离子的溶出量整体相对比较少，这是因为实施例1中碳酸钠的含量较多，对比例中没有加入碳酸钠；实施例2和对比例的整体溶出量差不多，但是实施例2中120小时后，溶出量与时间的斜率远远大于对比例(此时对比例的斜率接近于0)，可见对比例的溶出极限即将达到，而实施例2的溶出极限远远没有达到，这是由于碳酸钠的加入，增加了单位质量铁肥铁离子溶出量。
为本实施所得产物的XRD图谱，由图可知，硫酸亚铁、碳酸钙和碳酸钠在机械力研磨下转变成了针铁矿(FeO(OH))和硫酸钙(CaCO3·2H2O)。并无FeCO3的衍射峰，证明在没有碳酸钠的条件下，碳酸亚铁难以生成。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用硫酸亚铁制备缓释铁肥的方法，其特征在于，包括如下步骤：将硫酸亚铁基原料、固化剂和碳酸钠进行混合，加水配成高浓度浆体；然后放入行星磨进行研磨，控制球料比为35～70，研磨速度为300～800rpm，研磨时间为30～120min，将所得产物进行烘干得缓释铁肥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硫酸亚铁基原料为以硫酸法生产钛白时产生的硫酸亚铁固体废弃物或市售硫酸亚铁工业产品。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述硫酸亚铁固体废弃物中FeSO4·7H2O的质量纯度≥89％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固化剂为碳酸钙或碳酸钙矿物。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述碳酸钙矿物为石灰石或方解石。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硫酸亚铁基原料中的硫酸亚铁、固化剂和碳酸钠的摩尔比为1:(0.7～1):(0.1～0.3)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高浓度浆体中硫酸亚铁、固化剂和碳酸钠的总质量与水的体积之比为0.1～10.0g/mL。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烘干温度为60～100℃。
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