CN109772245A - 纳米有机络合功能微反应器构筑及硫酸铝液中铁分离方法 - Google Patents

Abstract

纳米有机络合功能微反应器构筑及硫酸铝液中铁分离方法，属于高酸度条件下分离硫酸铝提取液中铁的技术领域。该方法利用聚酰胺‑胺树状大分子(PAMAM)的纳米空腔结构，功能络合剂通过与PAMAM分子上的氮氧官能团相互作用分散到PAMAM纳米空腔中构筑形成纳米有机络合功能微反应器。该微反应器在铝提取液中可以减弱铝提取液的高酸度对功能络合剂的破坏，同时，微反应器中的功能有机络合剂选择性与铝提取液中铁作用，生成难溶于硫酸铝提取母液的固体沉淀物，分离难溶物，铝提取母液经蒸发浓缩、干燥制得低铁或无铁硫酸铝（铁含量﹤50 ppm）。本发明具有实用性强、设备投资小、工艺条件温和、易操作、低成本的特点。

Description

纳米有机络合功能微反应器构筑及硫酸铝液中铁分离方法

技术领域

本发明涉及一种纳米有机络合功能微反应器构筑及在宽酸度范围，特别是高酸度条件下分离硫酸铝提取液中铁的应用技术，属于化工技术领域。

背景技术

硫酸铝是一种重要的无机盐，主要用于化工、造纸、水处理、印染等领域。利用低品位的铝土矿、高岭土或粉煤灰、煤矸石等固体废料制备硫酸铝是一条极具经济价值的工艺路线。该路线主要通过高浓度的硫酸浸取铝土矿、高岭土、粉煤灰、煤矸石等，获得高酸度的硫酸铝提取液，提取液经中和、蒸发浓缩、干燥生产硫酸铝产品；但由于铝土矿、高岭土、粉煤灰、煤矸石等原料中铁含量较高，浸取、中和、浓缩、干燥获得的硫酸铝产品中铁含量较高，加之高酸度提取液中铁分离的困难，限制了其在制造高质量纸张、纺织物等高端领域的应用。铁含量高低直接影响着硫酸铝的质量，决定了其经济效益。

目前，国内低铁或无铁硫酸铝生产技术主要选用高纯度无铁氢氧化铝和硫酸为原料，但高纯度氢氧化铝价格贵，使硫酸铝的制造成本较高。因此，选择一种经济可行，能有效制备低铁硫酸铝的技术势在必行。

文献报道（贾丽惠等，中国硫酸铝除铁技术的研究进展，无机盐工业，2006年，38卷第8期）典型硫酸铝除铁工艺主要包括有机萃取法、沉淀法等，其中沉淀法包括高锰酸钾沉淀法、铁氰化钾和亚铁氰化钾沉淀法、有机络合沉淀法。其中，有机络合沉淀法是一种极具发展潜力的除铁方法。

申请号为CN200910192083.8公开了一种硫酸铝溶液中铁的萃取方法,萃取体系是由有机相为25% 的N-1923、25 %的正辛醇和50%的煤油组成的，萃取工业级硫酸铝（含铁2.3g/L、铝89.4g/L），萃取效果可达到99.99%。虽然该萃取法去除铁的效果较好，但是煤油易燃、易挥发，操作复杂，步骤繁琐，容易发生危险，而且有机萃取剂消耗量很大，经济成本高。

吴建宁等（吴建宁等，从含铁硫酸铝中除铁，湿法冶金，2005，24（3）：155～158）选用高锰酸钾沉淀法进行除铁实验，硫酸铝溶液中铁含量可降至0.27%。但由于该法中生成的氢氧化铁絮状沉淀难过滤，且最终产品硫酸铝中铁含量很难达到低于50ppm的技术要求。

申请号为CN201010601148.2公开了一种硫酸铝溶液中杂质铁的离子交换去除方法，首先将硫酸铝溶液浓缩，其次在浓缩的硫酸铝中加入有机醇除铁，最后将硫酸铝蒸发烘干，即得到铁含量低于20ppm的硫酸铝。由于有机醇不能一次性彻底除铁，需要多次反复醇化除铁，因而醇用量很大，消耗量大，经济成本高。

申请号为200310111376.1公开了一种有机沉淀去除硫酸铝中铁的方法，选用一种用氢氧化钠、二胺基化合物、二硫化碳合成的有机沉淀剂，在酸度pH=3～4条件下与硫酸铝中的铁生成不溶水的有机络合沉淀物，经分离不溶物，浓缩结晶硫酸铝母液可得低铁硫酸铝，该方法使用的有机沉淀剂稳定性差、不易回收，加之须严格控制溶液体系酸度，不适用于强酸条件，严重制约了其工业化应用。

Sudhir Chandra Shome等（Gravimetric Determination of Copper, Iron,Aluminum and Titanium with N-Benzoylphenylhydroxylamine. Quantities of Copperin Lead and Lead Alloys，（1950）75:27～32）研究了采用N-苯甲酰-N-苯基羟胺作为沉淀剂对溶液中铁、铝离子的络合作用。在溶液pH=3.0～5.5、3.6～6.4范围可以成功对铝、铁离子进行沉淀。显然，在pH=3.6～5.5范围，该试剂对铁、铝离子进行沉淀选择性很低，但该方法在铝浓度较低的溶液中仍有一定的除铁效果。Jyotirmoy Das 和Maya Pobi（Separationof titanium, iron and aluminum on a chelating resin withbenzoylphenylhydroxylamine group and application to bauxite and clay.Fresenius J Anal Chem, (1990) 336:578～581）研究了在pH=2～3范围用N-苯甲酰-N-苯基羟胺基团的修饰的树脂分离铁、铝离子，得到较好的分离，但是铁铝的选择性有待提高，铁的水解影响到去除铁的效果，而且树脂的再生会产生不可回收的废酸，污染环境。

发明内容

本发明提供成本低且环保的一种纳米有机络合功能微反应器构筑方法及在宽酸度范围，特别是高酸度条件下分离硫酸铝提取液中铁的方法，具体可用于硫酸法等酸法提取加工氧化铝及粘土、铝矾土、煤矸石等矿物的工艺过程。

一种硫酸铝溶液中铁的分离方法，其特征是在硫酸铝溶液中加入一定量构筑的纳米有机络合功能微反应器，利用该纳米微反应器中包含的功能有机络合剂，选择性络合铁生成难溶性固体沉淀，分离，硫酸铝母液经浓缩制得低铁硫酸铝产品。

本发明所述硫酸铝溶液中硫酸铝含量为0.1 mol/L～1.0 mol/L,铁含量为10ppm～1000ppm,溶液酸度以硫酸计从10^-7～8.0 mol/L,优选浓度范围分别为1.0 mol/L～1.0mol/L、600ppm～700 ppm、0.5 mol/L～1 mol/L。

本发明所述构筑的纳米有机络合功能微反应器，该纳米微反应器中包含有功能有机络合剂，所述功能有机络合剂包括：二乙基二硫代氨基甲酸钠、二甲基二硫代氨基甲酸钠、三聚硫氰酸钠、N－亚硝基-苯胲铵、N-苯甲酰-N-苯基羟胺和取代苯基的N-苯甲酰苯胲（如，N-（4-氯苯甲酰）苯胲、N-（4-溴苯甲酰）苯胲）。

使用本发明去除铁后硫酸铝溶液的铁含量低于50ppm，可应用于造纸、高端化工等领域。

本发明硫酸铝溶液中去除铁离子方法，包括如下步骤：

1）将聚酰胺-胺树状分子（PAMAM，G2.5-G4.5的聚合树状分子）加入到一定体积的水中，得到分散浓度为0.002mol/L的PAMAM水溶液。

2）构筑纳米有机络合功能微反应器：即将二乙基二硫代氨基甲酸钠、二甲基二硫代氨基甲酸钠、三聚硫氰酸钠、N－亚硝基-苯胲铵、N-苯甲酰-N-苯基羟胺和取代苯基的N-苯甲酰苯胲（如，N-（4-氯苯甲酰）苯胲、N-（4-溴苯甲酰）苯胲等）化合物或任意几种化合物组合加入到步骤1）获得的PAMAM水溶液中，浓度为10g/L～100g/L，室温搅拌30min。

3） 将步骤2）所述的纳米有机络合功能微反应器加入到含铁硫酸铝溶液中，加入量占硫酸铝溶液质量的0.5～1.4%，优选加入量为1%～1.4%；于室温～90℃温度范围内搅拌反应0.5～3小时，优选温度为60℃～80℃、搅拌时间1～2小时，过滤、分离生成的硫酸铝母液和固体沉淀物；

4）将步骤3）获得的硫酸铝母液经蒸发浓缩，脱水干燥得到硫酸铝产品，产品中含铁量小于50ppm，蒸馏液回收套用。

本发明在宽酸度范围，特别是高酸度条件下去除硫酸铝溶液中铁离子的方法，该技术利用聚酰胺-胺树状大分子(PAMAM)的纳米空腔，通过功能络合剂与空腔中PAMAM分子的官能团相互作用，从而构筑起纳米有机络合功能微反应器，借助纳米微反应器中的功能有机络合剂选择性与高酸度硫酸铝提取液中铁作用，生成难溶于硫酸铝提取母液的固体沉淀物，分离难溶物，硫酸铝母液经蒸发浓缩、干燥制得低铁或无铁硫酸铝。

本发明提出的除铁方法简单、易操作、适用硫酸铝酸度范围广、除铁效果好、生产成本低，有利于工业化推广，还可以用到盐酸等其它铝盐中铁的分离。

具体实施方式

以下非限定性例子将进一步说明本发明内容，但本发明权利要求的内容并不限定于所列举的实施例。

纳米有机络合功能微反应器的制备：按照浓度为10g/L～100g/L，将功能有机络合剂加入PAMAM水溶液中，室温搅拌30min；

所述功能有机络合剂包括下述化合物或其中任意几种化合物的组合物：二乙基二硫代氨基甲酸钠、二甲基二硫代氨基甲酸钠、三聚硫氰酸钠、N－亚硝基-苯胲铵、N-苯甲酰-N-苯基羟胺和取代苯基的N-苯甲酰苯胲（如，N-（4-氯苯甲酰）苯胲。

实施例1

将N-（4-氯苯甲酰）苯胲加入到PAMAM（G2.5聚合树状分子）生成纳米有机络合功能微反应器（90g/L），将纳米有机络合功能微反应器加入到硫酸浸取铝矾土制得的硫酸铝溶液（含铝1.127 mol/L，含铁679ppm，酸浓度0.5mol/L）中，纳米有机络合功能微反应器的加入量占硫酸铝溶液质量的1.4%，在70℃下搅拌反应2小时，经过滤，分离出红色沉淀物和硫酸铝母液；分析硫酸铝母液中铁含量23.7ppm，除铁率为96.5%。

实施例2

将N-苯甲酰苯胲加入到PAMAM（G3.5聚合树状分子）生成纳米有机络合功能微反应器（89g/L）；将纳米有机络合功能微反应器加入到硫酸浸取煤矸石制得的硫酸铝溶液（含铝1.063 mol/L，含铁654ppm，酸浓度1mol/L）中，纳米有机络合功能微反应器的加入量占硫酸铝溶液质量的1.3%，在60℃下，搅拌反应1.5小时，过滤后分离产生红色沉淀物和硫酸铝母液；分析硫酸铝母液中铁含量17.66ppm，除铁率为97.30%

实施例3

将按照摩尔比1：1的二乙基二硫代氨基甲酸钠和二甲基二硫代氨基甲酸钠混合后加入到PAMAM（G4.5聚合树状分子）中，生成纳米有机络合功能微反应器（88g/L），将纳米有机络合功能微反应器加入到硫酸铝溶液（含铝1.055 mol/L，含铁678ppm）中，纳米有机络合功能微反应器的加入量占硫酸铝溶液质量的8%，在40℃左右，搅拌反应3小时，过滤后分离产生硫酸铝母液和固体物；分析硫酸铝母液中铁含量41.67ppm，除铁率为93.85%。

实施例4

将三聚硫氰酸钠加入PAMAM（G2.5聚合树状分子）中，生成纳米有机络合功能微反应器（95g/L），将纳米有机络合功能微反应器加入到硫酸浸取煤矸石制得的硫酸铝溶液（含铝1.09mol/L，含铁374ppm，酸浓度5mol/L）中，纳米有机络合功能微反应器的加入量占硫酸铝溶液质量的1.3%，在50℃下，搅拌反应1.5小时，过滤后分离产生的黄红色沉淀物和硫酸铝母液；分析硫酸铝母液中铁含量16ppm，除铁率为98.30%。

Claims (10)

1.纳米有机络合功能微反应器构筑方法，其特征是将PAMAM加入到一定体积的水中，得到分散浓度为0.002mol/L的PAMAM水溶液；然后再加入功能有机络合剂，室温搅拌30min。

2.根据权利要求1所述纳米有机络合功能微反应器构筑方法，其特征是所述功能有机络合剂包括下述任意一种化合物或任意几种化合物的组合物：二乙基二硫代氨基甲酸钠、二甲基二硫代氨基甲酸钠、三聚硫氰酸钠、N－亚硝基-苯胲铵、N-苯甲酰-N-苯基羟胺和取代苯基的N-苯甲酰苯胲。

3.根据权利要求1所述纳米有机络合功能微反应器构筑方法，其特征是所述取代苯基的N-苯甲酰苯胲是N-（4-氯苯甲酰）苯胲、N-（4-溴苯甲酰）苯胲。

4.根据权利要求1所述纳米有机络合功能微反应器构筑方法，其特征是所述PAMAM为G2.5-G4.5的聚合树状分子。

5.一种硫酸铝溶液中铁的分离方法，其特征在于：将权利要求1~4任意一项所述的纳米有机络合功能微反应器加入到含铁硫酸铝溶液中，加入量占硫酸铝溶液质量的0.5～1.4%，于室温～90℃温度下搅拌反应0.5～3小时，过滤、分离生成硫酸铝母液和固体沉淀物。

6.根据权利要求5所述一种硫酸铝溶液中铁的分离方法，其特征在于：所述硫酸铝溶液中硫酸铝含量为0.1 mol/L～1.0 mol/L,铁含量为10ppm～1000ppm,溶液酸度以硫酸计从10^-7 mol/L～8.0 mol/L。

7.根据权利要求5所述一种硫酸铝溶液中铁的分离方法，其特征在于：硫酸铝母液经蒸发浓缩，脱水干燥得到硫酸铝产品，硫酸铝产品中含铁量小于50ppm。

8.一种硫酸铝溶液中铁的分离方法，其特征在于：将N-（4-氯苯甲酰）苯胲加入到浓度为0.002mol/L的PAMAM水溶液中，成为浓度是90g/L的纳米有机络合功能微反应器；将纳米有机络合功能微反应器加入到硫酸铝溶液，硫酸铝溶液中含铝1.127 mol/L，含铁679ppm，酸浓度是0.5mol/L，纳米有机络合功能微反应器加入量占硫酸铝溶液质量的1.4%，在70℃下搅拌反应2小时，经过滤，分离出红色沉淀物和硫酸铝母液；分析硫酸铝母液中铁含量23.7ppm。

9.一种硫酸铝溶液中铁的分离方法，其特征在于：将N-苯甲酰苯胲加入到浓度为0.002mol/L的PAMAM水溶液中，成为浓度是89g /L的纳米有机络合功能微反应器；将纳米有机络合功能微反应器加入到硫酸铝溶液，硫酸铝溶液中含铝1.063 mol/L，含铁654ppm，酸浓度是1mol/L，纳米有机络合功能微反应器加入量占硫酸铝溶液质量的1.3%，在60℃下搅拌反应1.5小时，经过滤，分离出红色沉淀物和硫酸铝母液；分析硫酸铝母液中铁含量17.66ppm。

10.一种硫酸铝溶液中铁的分离方法，其特征在于：将三聚硫氰酸钠加入到浓度为0.002mol/L的PAMAM水溶液中，成为浓度是95g/L的纳米有机络合功能微反应器；将纳米有机络合功能微反应器加入到硫酸铝溶液，硫酸铝溶液中含铝1.09mol/L，含铁374ppm，酸浓度是5mol/L，纳米有机络合功能微反应器的加入量占硫酸铝溶液质量的1.3%，在50℃下，搅拌反应1.5小时，过滤后分离产生的黄红色沉淀物和硫酸铝母液；分析硫酸铝母液中铁含量16ppm。