CN117321227A - 铁转化系统及应用 - Google Patents
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Abstract
公开了用于由含铁矿石生产铁的方法和系统。例如，一种用于生产铁的方法，包括：向包括第一电化学电池和溶解罐的溶解子系统提供含铁矿石；溶解含铁矿石以形成酸性铁盐溶液；在第一电化学电池中还原Fe3+离子以形成Fe2+离子并电化学生成质子；在溶解罐和第一电化学电池之间循环溶液；将形成的Fe2+离子从溶解子系统转移到具有第二电化学电池的镀铁子系统；在第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的Fe2+离子的第一部分第二电化学还原成Fe金属；以及移除Fe金属。该方法和系统任选地包括移除在原料中发现的一种或多种杂质。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年3月24日提交的序列号为63/165,502的美国临时专利申请的优先权权益，出于所有目的，在不与本申请相矛盾的程度，通过引用将其全部内容并入本文。
政府资助
本申请中的发明是在美国国家科学基金会授予的第2039232号奖励的政府支持下进行的。政府对本文的发明享有一定的权利。
技术领域
本申请总体上涉及电化学和湿法冶金领域，更具体地，涉及使用电化学和/或湿法冶金工艺从含铁原料中提取铁的系统和方法。
背景技术
铁氧化物矿石可通过移除氧(即还原该氧化物)并以可在后续工艺中加工成有用产物的形式回收金属铁而转化成相对纯的金属铁。然后，根据要制造的钢的类型，通过加入少量的碳和其他元素，就可以把铁制成钢。几千年来，这两项任务(还原和碳添加)主要是在碳(通常由煤(或焦炭)燃烧产生)存在下通过将铁矿石加热到非常高的温度(例如，约1,700℃)来实现的。由煤或焦炭燃烧产生的一氧化碳与铁氧化物中的氧结合，从而将该氧化物还原成金属铁并释放出二氧化碳。事实上，现代钢铁生产的二氧化碳排放量约占全球的10％。
发明内容
本文提供了用于从含铁矿石和/或其他含铁原料生产基本上纯的金属铁的方法和相关系统。本文描述了用于使用化学和/或电化学转化技术将铁矿石从矿石或其他不纯状态转化为金属铁而无需燃烧化石燃料的多个实施方案方法和系统。具体而言，本文所述的多个实施方案提供了将铁矿石材料溶解到酸性溶液中，化学和/或电化学调节酸性溶液的性质，以及在电化学电池中从酸性溶液中电镀铁(和任选的其他金属)。
所述系统和方法的多个实施方案包括至少第一独立电化学过程和第二独立电化学过程，所述第一独立电化学过程用于调节酸性溶液的参数以促进或加速矿石溶解，所述第二独立电化学过程用于从酸性溶液中电镀铁。
任选地，本文公开的方法的实施方案可以提供从含铁矿石电镀铁的过程，使得稳态运行的特征在于总输入基本上由含铁矿石组成，并且总输出基本上由高纯度铁组成，其中水和酸作为该过程的一部分重新生成。任选地，本文公开的方法的实施方案可以提供从含铁矿石电镀铁的过程，该过程在稳态运行期间基本上不产生CO2。任选地，本文公开的方法的实施方案可以提供从含铁矿石中电镀铁的过程，该过程在稳态运行期间基本上不产生Cl2(g)。任选地，本文公开的方法的实施方案还包括使用根据本文实施方案生产的高纯度铁来炼钢的过程。
公开了一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：
在还原剂存在下，热还原含铁矿石中的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料以形成磁铁矿，从而形成热还原矿石；以及
使用酸溶解所述热还原矿石的至少一部分以形成酸性铁盐溶液；
其中所述酸性铁盐溶液包含在电化学电池中电化学生成的质子。
还公开了一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：
在溶解罐中，使所述含铁矿石与酸接触以溶解所述含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
使所述酸性铁盐溶液的至少一部分在所述溶解罐和电化学电池的阴极室之间再循环，所述电化学电池包括在所述阴极室中在充当阴极电解质(catholyte)的所述酸性铁盐溶液的至少一部分存在下的阴极、在阳极电解质(anolyte)存在下的阳极、和将所述阴极电解质与所述阳极电解质分开的隔件(separator)；
在所述阴极处电化学还原来自所述阴极电解质的溶解的Fe3+离子的至少一部分，以在所述阴极电解质中形成Fe2+离子；以及
在所述电化学电池中电化学生成质子并将电化学生成的质子提供给所述阴极电解质；其中在所述含铁矿石存在下，所述溶解罐中的所述酸性铁盐溶液的特征在于游离质子的稳态浓度为至少0.2M。
还公开了一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：
在还原剂存在下，热还原所述含铁矿石中的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料以形成磁铁矿，从而形成热还原矿石；
其中所述还原剂包括H2气体；以及
其中所述H2气体的至少一部分是通过铁金属与酸的反应化学生成的，和/或所述H2气体的至少一部分是通过电镀铁过程的寄生析氢反应电化学生成的；以及
使用酸性溶液溶解至少所述热还原矿石以形成铁盐溶液；
其中溶解步骤包括将形成的磁铁矿溶解在所述酸性溶液中。
另外公开了一种用于加工和溶解含铁矿石的系统，所述系统包括：
第一溶解罐，用于使用第一酸溶解第一含铁矿石；其中：
所述第一矿石在所述第一酸中的溶解在所述第一溶解罐中形成包含溶解的Fe3+离子的第一酸性铁盐溶液；
电化学电池，其流体连接到所述第一溶解罐；其中：
所述电化学电池包括在阴极存在下具有阴极电解质的阴极室、在阳极存在下具有阳极电解质的阳极室、和将所述阴极电解质与所述阳极电解质分开的隔件；以及
第一循环子系统，其将所述第一酸性铁盐溶液的至少一部分从所述第一溶解罐循环至所述阴极室，并将所述阴极电解质的至少一部分从所述电化学电池循环至所述第一溶解罐；
其中在所述阴极处将来自所述第一酸性铁盐溶液的Fe3+离子的至少一部分电化学还原成所述阴极电解质中的Fe2+离子，从而消耗来自所述第一酸性铁盐溶液的Fe3+离子。
公开了一种用于生产铁的方法，所述方法包括：
向包括第一电化学电池的溶解子系统提供具有含铁矿石的原料；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的成分；
使用酸溶解所述含铁矿石的至少一部分以形成具有溶解的第一Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
向所述第一阴极室提供具有所述第一Fe3+离子的至少一部分的所述酸性铁盐溶液的至少一部分；
第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一Fe3+离子以形成Fe2+离子；
将形成的Fe2+离子从所述溶解子系统转移到具有第二电化学电池的镀铁子系统；
在所述第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的Fe2+离子的第一部分第二电化学还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除所述Fe金属，从而生产铁。
还公开了一种用于生产铁的方法，所述方法包括：
向包括第一电化学电池的溶解子系统提供具有含铁矿石的原料；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有H2气体的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极室与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
使用酸溶解所述含铁矿石的至少一部分以形成具有溶解的第一Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
向所述第一阴极室提供具有所述第一Fe3+离子的至少一部分的酸性铁盐溶液的至少一部分；
第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一Fe3+离子以形成Fe2+离子；
将形成的Fe2+离子从所述溶解子系统转移到具有第二电化学电池的镀铁子系统；
在所述第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的Fe2+离子的第一部分第二电化学还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除所述Fe金属，从而生产铁。
还公开了一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其具有溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述溶解罐；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的成分；以及
镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及
第一子系统间流体连接件，其位于所述溶解子系统和所述镀铁子系统之间；
其中：
所述溶解罐接收具有含铁矿石的原料；
所述溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述含铁矿石的至少一部分以生成溶解的第一Fe3+离子；
所述第一Fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
形成的Fe2+离子通过所述第一子系统间流体连接件从所述溶解子系统转移到所述镀铁子系统；
所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除所述Fe金属。
另外公开了一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其具有溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述溶解罐；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有H2气体的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极室与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及
第一子系统间流体连接件，其位于所述溶解子系统和所述镀铁子系统之间；
其中：
所述溶解罐接收具有含铁矿石的原料；
所述溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述含铁矿石的至少一部分以生成溶解的第一Fe3+离子；
所述第一Fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
形成的Fe2+离子通过所述第一子系统间流体连接件从所述溶解子系统转移到所述镀铁子系统；
所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池移除Fe金属。
公开了一种用于生产铁的方法，所述方法包括：
向包括第一电化学电池的溶解子系统提供具有含铁矿石和一种或多种杂质的原料；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；
使用酸溶解所述含铁矿石的至少一部分以形成具有溶解的第一Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
向所述第一阴极室提供具有第一Fe3+离子的至少一部分的酸性铁盐溶液的至少一部分；
第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一Fe3+离子以形成Fe2+离子；
在所述溶解子系统中产生富铁溶液，所述富铁溶液具有形成的Fe2+离子的至少一部分和所述一种或多种杂质的至少一部分；
处理所述富铁溶液的至少第一部分，以从所述富铁溶液中移除所述一种或多种杂质的至少一部分，从而形成具有所述形成的Fe2+离子的至少一部分的经处理的富铁溶液；
其中所述处理步骤包括将所述富铁溶液的pH从初始pH升高至经调节的pH，从而沉淀所述经处理的富铁溶液中的所述一种或多种杂质的至少一部分；
将所述经处理的富铁溶液的至少第一部分递送至具有第二电化学电池的镀铁子系统；
在所述第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分第二电化学还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除Fe金属，从而生产铁。
还公开了一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其具有第一溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述第一溶解罐；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阴极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第二阳极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及
第一杂质移除子系统；
其中：
所述第一溶解罐接收具有一种或多种含铁矿石和一种或多种杂质的原料；
所述第一溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述一种或多种含铁矿石的至少一部分，以在所述酸性铁盐溶液中生成溶解的第一Fe3+离子；
向所述第一阴极室提供具有所述第一Fe3+离子的至少一部分的所述酸性铁盐溶液的至少一部分；
所述第一Fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
在所述溶解子系统中形成富铁溶液，所述富铁溶液具有形成的Fe2+离子的至少一部分和所述一种或多种杂质的至少一部分；
向所述第一杂质移除子系统提供所述富铁溶液的至少一部分，以从所述富铁溶液中移除所述一种或多种杂质的至少一部分，从而形成具有所述形成的Fe2+离子的至少一部分的经处理的富铁溶液；
其中在所述第一杂质移除子系统中，将所述富铁溶液的pH从初始pH升高至经调节的pH，以沉淀所述一种或多种杂质的移除部分；
将所述经处理的富铁溶液的至少第一部分从所述第一杂质移除子系统递送至所述镀铁子系统；
所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的递送的Fe2+离子的至少一部分还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除Fe金属。
还公开了一种用于生产铁的方法，所述方法包括：
在第一溶解罐中，使第一含铁矿石与酸接触以溶解所述第一含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的第一Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
使所述酸性铁盐溶液的至少一部分在所述第一溶解罐和第一电化学电池的第一阴极室之间循环，从而向所述第一阴极室的第一阴极电解质提供所述第一Fe3+离子的至少一部分；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；
在所述第一阴极处第一电化学还原所述第一Fe3+离子的至少一部分，以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
在所述第一电化学电池中电化学生成质子；
其中所述循环步骤包括向所述酸性铁盐溶液提供电化学生成的质子的至少一部分和来自所述第一阴极电解质的形成的Fe2+离子的至少一部分；
在溶解子系统中产生具有所述形成的Fe2+离子的第一富铁溶液，所述溶解子系统包括第一溶解罐和第一电化学电池；
将所述第一富铁溶液的至少一部分转移到镀铁子系统，所述镀铁子系统包括第二电化学电池；
在所述第二电化学电池的第二阴极处，将所述形成的Fe2+离子的第一部分第二电化学还原成Fe金属；
其中所述第二电化学电池包括在第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室、在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第二隔件；以及
从所述第二电化学电池中移除Fe金属，从而生产铁。
另外公开了一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其用于产生富铁溶液，其中所述溶解子系统包括第一溶解罐、第一电化学电池和第一循环子系统；其中：
在所述第一溶解罐中，使含铁矿石与酸接触以溶解所述含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
所述第一循环子系统在所述第一溶解罐和所述第一电化学电池的第一阴极室之间循环所述酸性铁盐溶液的至少一部分，从而向所述第一阴极室的第一阴极电解质提供第一Fe3+离子的至少一部分；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；
所述第一电化学电池在所述第一阴极处电化学还原所述第一Fe3+
离子的至少一部分以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
所述第一电化学电池电化学生成质子并将电化学生成的质子提供给所述阴极电解质；其中所述第一循环系统将来自所述第一阴极电解质的所述电化学生成的质子提供给所述酸性铁盐溶液；以及
在所述第一子系统中产生的所述富铁溶液包含形成的Fe2+离子；
过渡子系统，包括第一子系统间流体连接件，所述第一子系统间流体连接件用于将所述富铁溶液的至少一部分转移到镀铁子系统；
所述镀铁子系统包括第二电化学电池；
其中所述第二电化学电池包括在所述第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室、在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室、和在第二阴极存在下将所述第一阳极电解质与具有第二阴极电解质的所述第一阴极电解质分开的第二隔件；
其中将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分在所述第二阴极处电化学还原成Fe金属；以及
铁移除子系统，用于从所述第二电化学电池中移除Fe金属，从而生产铁。
附图说明
图1A.通过将电镀与氧生成结合起来制铁的可能方法的示意图。
图1B.通过利用具有近似pH范围的示例性酸化学成分将铁原料溶解在硫酸中并将电镀和氧生成组合来制铁的可能方法的示意图。
图2.示出原料溶解和酸再生子系统的示意图。
图3.示出镀铁子系统的示意图。
图4.示出具有多个子系统的两步铁转化系统的示意图。
图5A和图5B.示出用于将富铁酸性溶液从溶解子系统分配到镀子系统的阳极电解质罐和阴极电解质罐中的替代工艺的示意性工艺流程图。
图6.示出具有多个子系统的两步铁转化系统的示意图，所述两步铁转化系统包括包含氧析出的酸再生子系统，并进一步展示了子系统之间可能的流体流动。
图7A：示出实验数据的图，该实验数据显示了在溶解加上酸再生和三价铁还原的过程中，在酸再生电池中的三价铁向亚铁的转化和酸的生成：使用1.8M硫酸铁作为起始溶液(代表镀过程结束)，在电化学电池1中通过电化学还原产生亚铁，如[Fe2+]浓度的增加所证明的。所生成的酸能够进一步溶解铁氧化物，最终铁的总浓度为2.5M。
图7B：示出实验数据的图，该实验数据显示了赤铁矿和磁铁矿在不同浓度的硫酸中的溶解速率。
图7C.示出实验数据的图，该实验数据显示了矿石在硫酸中的溶解速率。
图8A.示出在不同溶液pH值下多种金属氢氧化物的溶解度的溶解度图。
图8B.和图8C：示出多个磷酸铁和铁氧化物的溶解度的溶解度图。
图8D.示出了磷酸铁和三价铁的铁氢氧化物的溶解度的溶解度图。
图8E：示出磷酸铝和氢氧化铝的溶解度的溶解度图。
图9.示出某些示例性实施方案的工艺流程图，包括在用于将铁氧化物如赤铁矿转化为磁铁矿的工艺中使用在镀铁期间产生的H2，随后是磁铁矿的溶解加上酸再生电池。
图10：示出与酸再生系统连接的用于溶解经不同加工的矿石的示例性系统和工艺的示意性系统图。
图11.示意性地示出将固体铁原料转化为纯的镀的铁的工艺的工艺流程图，包括任选的中间处理步骤。
图12.用5％ H2-95％氩气将赤铁矿还原为磁铁矿的阿尔法(α)-时间图。
图13A：根据某些实施方案的示例性流动电池的图。
图13B：使用氯化物和硫酸盐化学成分的电解沉积的效率vs.pH的图。在硫酸盐化学成分中，pH≥2时，镀Fe效率大于80％。
图14.示例性酸再生电池的图。例如，该电池可以在400mA/cm2下运行，法拉第效率(Faradaic efficiency)大于97％。
图15.CV扫描图示出，在盐酸化学成分中，当pH低于2时，析氢速率明显更高，其中通过HCl的浓度来控制pH。
图16A-16B.在1M NH4Cl(图16A)或1M(NH4)SO4(图16B)存在下，在20C(图16A)和60C(图16B)下的电流密度vs.电压的图，其中在插图中总结了参数。氯化物的产氢量在室温下低于硫酸盐，而在60C时与硫酸盐相似。
图17A-17B.Fe(II)/Fe(s)(图17A)和Fe(III)/Fe(II)化学成分的电流密度vs.电压的图，其中在插图中总结了某些参数。增加氯化物浓度提高了Fe(II)/Fe(s)和Fe(III)/Fe(II)对的可逆性。
图18.示出了配置为实施本文所述的铁转化工艺的化工厂的示意图。
图19.酸再生电池电流电压曲线的实施例。
图20.镀电池电流-电压曲线的实施例。
图21A-21C.XRD光谱图示出商业来源的铁矿石包含了大量的针铁矿和赤铁矿(图21A)。在450℃下进行热处理后，针铁矿完全转化为具有更大表面积的赤铁矿(图21B)。在450℃下在4％氢的气氛中热处理后，实现了几乎完全还原成磁铁矿(图21C)。
图22.示出由通过本文所述的一种或多种工艺生产的铁制造生钢和生钢产物的工艺的工艺流程图。
图23.示出使用氧化还原介体对以将析氧与三价铁的铁还原成金属铁分离(decouple)的示意图。
关于化合物和命名的声明
一般而言，本文使用的术语和短语具有其在本领域公认的含义，这可以通过参考本领域技术人员已知的标准文本、期刊参考文献和上下文来找到。提供以下定义以阐明它们在本公开的上下文中的具体使用。
在多个实施方案中，本公开提供了用于实现从多种铁源材料(包括相对低纯度的铁原料材料)产生纯铁的高效的低温水性湿法冶金工艺的工艺、系统和方法。概括地说，铁原料材料溶解在酸性水溶液中，通过电解镀金属铁并作为固体移除。在多个实施方案中，铁原料材料或水性铁(aqueous iron)可以在一个或多个工艺步骤过程中从一种形式转化为另一种形式。
如本文所用，术语“纯铁”和“高纯度铁”在相对意义上用于指比铁源材料更纯并且包含可接受的低量的一种或多种杂质的金属铁材料。
如本文所用，术语“铁源材料”和“铁原料”同义使用以指可用作本文所述的多种系统和方法的输入的含铁材料。“铁源材料”和“铁原料”可以包括处于天然存在状态或通过还原处理的(beneficiated)或纯化的状态的任何形式的铁，例如铁的氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、碳酸盐或其他含铁的化合物、矿石、岩石或矿物，包括其任何混合物。术语“含铁矿石”或简称“铁矿石”可以包括本领域公认的、已知的或提及的一种或多种铁矿石、岩石、天然岩石、沉积物、天然沉积物、矿物和/或天然矿物的材料，无论是以天然存在的状态还是通过还原处理或以其他方式纯化或改性的状态。本文所述的工艺和系统的一些实施方案可能特别适用于铁矿石，包括赤铁矿、针铁矿、磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿、铁白云石、水赤铁矿(turgite)、铁铝氧石(bauxite)或其任意组合。
任选地，铁源材料或铁原料可包含Fe金属材料，例如但不限于铁粉尘(例如，在高炉、氧气炉、电弧炉等中作为制铁或炼钢过程的副产物产生的细颗粒)、铁粉、废钢和/或废铸铁。“铁源材料”和“铁原料”也可以包含多种通常称为“杂质”的其他非铁材料。
如本文所用，术语“杂质”是指除了期望的最终产物材料(例如，铁)之外的元素或化合物。在多个实施方案中，根据产物材料的预期最终用途，给定的元素或化合物可以认为是“杂质”或不认为是“杂质”。在一些情况下，可以将一种或多种可能是一个过程或子过程的杂质的元素或化合物分离或纯化、收集并作为次级产物材料出售。
在本文的多个实施方案中，多种组合物、化合物或溶液可以基本“分离”或“纯化”到足以达到本文所述目的的程度。在多个实施方案中，基本纯化的组合物、化合物或制剂(例如，亚铁的铁溶液、三价铁的铁溶液或镀的金属铁)的化学纯度可以为90％(例如，按离子浓度的摩尔浓度计或按重量计)，任选地对于一些应用的纯度为95％，任选地对于一些应用的纯度为99％，任选地对于一些应用的纯度为99.9％，任选地对于一些应用的纯度为99.99％，以及任选地对于一些应用的纯度为99.999％。
本文提及的“罐”旨在包括任何适于容纳液体(例如高酸性或腐蚀性水溶液，如果需要的话)的容器。在一些实施方案中，这样的容器可以包括附加的特征或组件，以帮助或改善该容器的固体和/或液体内容物的混合。例如，溶解罐可以包括用于搅拌溶液或固/液混合物的被动或主动操作的结构或特征。在本文的系统和方法中有用的溶解罐或其他罐也可以包括允许将气体喷入罐的固体和/或液体内容物中或通过罐的固体和/或液体内容物的特征，以增加气体与罐内的固体和/或液体材料的接触。多种罐还可以包括篮子、筛子、平底盘、过滤器或其他结构，以从液体中收集并分离固体。在一些实施方案中，罐可以配置为以这样的方式(例如，导流结构、泵、叶轮、导流板、叶轮、搅拌棒、搅拌叶片、振动器、旋流通道等)引导液体或气体流过罐，以搅拌其中的混合物。
在本文描述的一些实施方案中，用于将铁矿石转化为铁金属的系统(即“铁转化系统”)可以包括两种或更多种子系统。一些实施方案包括“溶解子系统”，其中含铁原料的组分溶解在水溶液中。一些实施方案还包括“镀铁子系统”，其中溶解的铁在“电镀(或简称为“镀”)过程中电化学还原成铁金属。该铁金属可随后从镀铁子系统中移除。
在一些实施方案中，在离开溶解子系统之后和递送到镀子系统之前，含水性铁溶液可以转移到“过渡子系统”中并在其中进行处理。过渡子系统内的处理可包括pH调节、杂质移除、过滤或其他过程。在一些实施方案中，任何上述子系统均可以通过“子系统间流体连接件”彼此流体连接，该“子系统间流体连接件”可以包括流体输送导管(管道、通道、槽等)和任何数量的流量控制装置的任意组合，所述流量控制装置包括阀、泵、膨胀室、气-液分离器、固-液分离器、过滤器或其他类似装置。
术语“电镀铁”(或在本文中同义使用的“镀铁”)是指将溶解的铁电化学还原成阴极表面上的金属铁的过程。等同的术语“电沉积”、“电铸”和“电解沉积”在本文中也与“电镀铁”同义使用。根据该术语的任何定义，电镀的铁的形状或尺寸规格不必是“板”。例如，电镀的铁可以采取任何形状或形式，并且可以沉积在任何合适的阴极表面上，如本文中的多个实施方案所述。
术语“溶解步骤”包括在溶解子系统中发生的过程，包括但不限于铁氧化物材料的溶解和在“酸再生电池”中发生的或通过“酸再生电池”发生的电化学过程，包括但不限于要求保护的在酸再生电池中将Fe3+离子电化学还原成Fe2+离子的步骤。溶解步骤过程还可包括在第一电化学电池中氧化水或氢气，例如，以生成质子，这可允许用于促进含铁原料的溶解的酸(以质子的形式)的再生。
术语“镀铁步骤”包括发生在镀铁子系统中的过程，包括但不限于在要求保护的“镀电池”中发生的或通过要求保护的“镀电池”发生的电化学过程，包括但不限于在本文中也称为“镀电池”的“镀电池”中将Fe2+离子“电化学还原”成Fe金属的步骤。镀铁过程还可以包括氧化Fe2+离子的第二部分以形成Fe3+离子。在一些实施方案中，这种Fe2+离子可以由第一电化学电池或系统的另一部分来提供。
如本文所用，除非另有说明，术语“亚铁的铁溶液”或“亚铁溶液”可指含有溶解铁的水溶液，该溶解铁至少主要(即50％至100％)处于Fe2+(即“亚铁”)离子态，其余的溶解铁处于“三价铁”Fe3+态。类似地，术语“亚铁离子”是指处于亚铁(Fe2+)态的一种或多种离子。
如本文所用，除非另有说明，术语“三价铁的铁溶液”或“三价铁溶液”可指含有溶解铁的水溶液，该溶解铁至少主要(即50％至100％)处于Fe3+(即“三价铁”)离子态，其余的溶解铁处于“亚铁”Fe2+态。类似地，术语“三价铁离子”是指处于三价铁(Fe3+)态的一种或多种离子。“三价铁溶液”或“亚铁溶液”也可能含有其他溶解的离子或胶体或颗粒材料，包括杂质。
如本文所用，任何提及的“PEM”或“质子交换膜”均可以解释为也包括“CEM”或“阳离子交换膜”，这两个术语可以包括任何可用的选择性地允许带正电荷的阳离子和/或质子通过的膜材料。缩写“AEM”用于指对带负电荷的水性离子具有选择性的阴离子交换膜，并包括任何可用的阴离子选择性膜。
如本文所用，水性质子和电化学生成的质子旨在包括水性质子和水性水合氢离子。
如本文所用，术语“未加工的矿石”是指根据本文公开的实施方案的既未被热还原也未被空气焙烧的含铁矿石。任选地，未加工的矿石是含铁原料矿石。
如本文所用，电化学生成的离子，例如电化学生成的质子和电化学生成的铁离子(例如Fe2+、Fe3+)，是指在电化学反应中生成或产生的离子。例如，在阳极的水的电化学氧化可以电化学生成质子和电化学生成氧。
如本文所用，术语“热还原”是指在还原剂存在下在升高的温度下的热处理。热还原在本领域中也称为还原焙烧。任选地，热还原是在选自200℃至600℃的范围的温度下进行的。任选地，所述还原剂是包括氢(H2)气体。热还原的额外描述和可能有用的实施方案可见于以下以其全部内容并入本文的参考文献：“Hydrogen reduction of hematite orefines to magnetite ore fines at low temperatures”,Hindawi,Journal ofChemistry,Volume 2017,Article ID 1919720。
如本文所用，术语“寄生氢”或来自“电镀铁过程的寄生析氢反应”的氢(H2)是指在同一电化学电池中通过与电镀铁反应(例如，Fe2+到Fe、或Fe3+到Fe2+到Fe)同时发生的副反应电化学生成的氢(H2)气体。关于寄生析氢的额外描述和可能有用的实施方案可见于以下以其全部内容并入本文的参考文献：“An investigation into factors affecting theiron plating reaction for an all-iron flow battery”,Journal of theElectrochemical Society 162(2015)A108。
如本文所用，术语“空气焙烧”是指在空气存在下在升高的温度下进行的热处理。矿石如含铁矿石的空气焙烧可以分解或降低矿石的平均粒度。任选地，空气焙烧是在选自300℃至500℃的范围的温度下进行的。空气焙烧的额外描述和可能有用的实施方案可见于以下以其全部内容并入本文的参考文献：“Study of the calcination process of twolimonitic iron ores between 250C and 950C”,Revista de la Facultad deIngeneria,p.33(2017)。
如本文所用，术语“氧化还原对”是指对应于电化学反应或半电池反应的还原物质和氧化物质的两种化学物质，例如离子和/或分子。例如，在Fe3+离子到Fe2+离子的电化学还原中，对应的氧化还原对是Fe3+/Fe2+，其中Fe3+是氧化物质，Fe2+是还原物质。如本文所用，所描述的氧化还原对的顺序(例如，Fe3+/Fe2+vs.Fe2+/Fe3+)不旨在表示哪个物质是还原物质，以及哪个是氧化物质。氧化还原对的额外描述和可能有用的实施方案可见于以下以其全部内容并入本文的参考文献：“Redox-Principles and Advanced Applications”:Book byMohammed Khalid,Chapter 5:Redox Flow Battery Fundamental and Applications。
如本文所用，术语“稳态(steady state)”和“稳态(steady-state)”通常指表征过程、方法步骤、一个或多个反应、溶液、(子)系统等的条件或条件的集合，在该过程、方法步骤、一个或多个反应、溶液、(子)系统等的运行或实施过程中，所述条件为真的时间长于其为假的时间。例如，矿石或原料的溶解可以通过稳态条件来表征，其中稳态条件在溶解发生过程中的至少50％、任选至少60％、任选至少70％、任选至少80％、任选至少90％、任选至少95％的时间为真。例如，稳态条件可以不包括表征诸如原料的溶解的过程的瞬时启动和关闭阶段的条件。
术语“阴极室”是指包括阴极或阴极的至少一部分或表面、以及阴极电解质的区域、隔室、容器等。术语“阳极室”是指包括阳极或阳极的至少一部分或表面、以及阳极电解质的区域、隔室、容器等。
如本文所用，术语“富铁溶液”也可称为“铁富铁溶液”或“亚铁产物溶液”，对应于在矿石溶解子系统中形成的富铁离子溶液。
如本文所用，术语“矿石溶解子系统”也可称为“溶解子系统”、“第一子系统”和“步骤1”。所述“溶解子系统”包括本文所述的“酸再生器”。
如本文所用，术语“镀铁子系统”也可称为“第二子系统”和“步骤2”。
如本文所用，术语“沉淀pH”是指提及的一种或多种离子或盐的热力学上有利于或预期从主体水溶液中沉淀出来的pH。通常，溶解在水溶液中的离子和盐的溶解度取决于水溶液的pH。随着酸性区域的pH的增加，许多金属离子形成金属氢氧化物，所述金属氢氧化物由于溶解度降低倾向于从主体溶液中沉淀出来。沉淀pH在本文中定义为对应于给定离子或盐的溶解度低于浓度阈值的点的pH。沉淀pH可以是上限，超过该上限时，给定离子或盐的溶解度小于1mM，任选地小于0.1mM。
如本文所用，术语“金属铁”是指包含金属铁的材料，例如但不限于废铁、电镀的铁、铁粉等。
如本文所用，术语“支持盐”和“支持离子”分别指对应于或用作支持电解质、或者当溶解时至少部分形成支持电解质以增加主体溶液的导电性的盐和离子。在一些实施方案中，例如，溶解子系统和镀子系统中的电解质和溶液可包含溶解的铁物质、酸和用作支持电解质以增强电解质的导电性的额外的惰性盐，其在低亚铁浓度下可能特别有益，其中用作支持电解质以增强导电性的惰性盐可称为支持盐。支持盐可以包括任何电化学惰性盐，例如氯化钠、氯化钾、氯化铵、硫酸钠、硫酸钾、硫酸铵、氯化钠、氯化钾、氯化铵或其他盐，或盐的组合。如果使用的话，溶液中支持盐的浓度可以在例如约0.1至约1M的范围中。
如本文所用，术语“重量％(wt.％)”或“重量％(wt％)”是指重量百分比，或以按质量计的百分比表示的质量分数。术语“原子％(at.％)”或“原子％(at％)”是指原子百分比，或指以一种类型的原子相对于诸如分子、化合物、材料、纳米颗粒、聚合物、分散体的给定物质中的总原子的百分比表示的原子比。术语“摩尔％”是指摩尔百分比或按摩尔计的百分比。术语“体积％”是指体积百分比。
如本文所用，在说明书和权利要求书中，术语“和/或”在本文中用于指出现术语“和/或”的列表中的仅单个要素、或要素的任意组合。换句话说，具有术语“和/或”的两个或更多个要素的列表旨在涵盖仅具有任何单个要素的实施方案、或具有所列要素的任意组合的实施方案。例如，短语“要素A和/或要素B”旨在涵盖仅具有要素A的实施方案、仅具有要素B的实施方案、或要素A和要素B组合在一起的实施方案。例如，短语“要素A、要素B和/或要素C”旨在涵盖仅具有要素A的实施方案、仅具有要素B的实施方案、仅具有要素C的实施方案、要素A和要素B组合在一起的实施方案、要素A和要素C组合在一起的实施方案、要素B和要素C组合在一起的实施方案、或要素A、要素B和要素C组合在一起的实施方案。
如本文所用，术语“±”是指值的包容性范围，使得“X±Y”指选自X-Y至X+Y范围的值的包容性范围，其中X和Y各自独立地为数字。在其中Y为百分比的“X±Y”(例如，1.0±20％)的情况下，值的包容性范围选自X-Z至X+Z的范围，其中Z等于X×(Y/100)。例如，1.0±20％是指选自0.8至1.2的范围中的值的包容性范围。
具体实施方式
在下文的描述中，阐述了装置、装置组件和方法的许多具体细节，以提供对本文所描述的多个发明的确切性质的全面解释。然而，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，所述多个发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。不希望受任何具体理论的束缚，本文可以讨论与本文公开的装置和方法相关的基本原理的理念或理解。应当认识到，不管任何机械解释或假设的最终正确性如何，装置和方法的实施方案可以仍然是有效且有用的。
钢铁是价值万亿美元的商品，是工业世界的基础构建要素，每年排放30亿吨二氧化碳，约占全球二氧化碳排放量的10％。传统的炼钢过程会产生大量的CO2排放，因为焦炭(纯化的煤)用作铁矿石的还原剂(即，以将铁氧化物还原成铁金属)，且煤用作加热和熔化铁的燃料。几个世纪以来，基于煤的铁和钢铁生产一直是最常见、最廉价的工艺。不幸的是，真正的社会成本只是推迟到了现在，大气中二氧化碳的增加越来越有可能导致灾难性的气候变化。
随着可再生能源和零碳能源成本的下降，从用于炼钢的化石燃料转向清洁电力是越来越有吸引力的选择。然而，可再生能源产生的间歇性以及溶解和还原铁矿石和移除杂质的复杂性使得电力驱动的铁生产非常具有挑战性。
与可再生能源间歇性兼容的需求与高温工艺尤其不一致，因为高温工艺难以调低或中断，除非有大量备用的能量储存可用于维持高温。因此，需要一种用于从铁矿石中生产足够纯的铁的低温的基于电的工艺，该工艺还表现出与可再生能源间歇性的良好兼容性。
湿法冶金和铁加工领域的专家们的传统观念认为，铁的湿法冶金加工在经济上是不切实际的，因为铁原料，特别是铁氧化物矿石的溶解速率受到已知的热力学和经济上的限制。这些专家进一步怀疑通过电镀有效提取铁的能力，因为在与酸性溶液接触时，在Fe2+、Fe3+和Fe0态之间可能发生电化学“穿梭”。本文的系统和方法提供了多种用于克服这些已知障碍的机制。
在多个实施方案中，本公开提供了用于实现从多种铁源材料生产相对纯的金属铁的高效的低温水性冶金工艺的工艺、系统和方法，所述铁源材料包括可能与其他可用的制铁和炼钢工艺不兼容的相对低纯度的铁原料材料。基于溶液的铁提取工艺，例如本文所述的那些，通常通过使用清洁的电能源可允许从不同纯度的铁原料材料中高成本效率地分离和移除杂质，同时排放零温室气体。在一些情况下，在一个工艺步骤过程中产生的废料可以有利地用于改进其他工艺步骤。这些和其他优点的多个实例将从本文的描述中变得清楚。
在本文所述的多个实施方案中，金属铁可以通过以下从铁原料(包括具有高含量铁氧化物的那些，例如大多数含铁矿石)中提取：将铁原料溶解在酸性溶液中，任选地处理溶液以移除一些杂质，然后将金属铁从溶液中电解沉积成固体形式，其可以移除并在后续工艺中用于炼钢或制造其他含铁产物。
大多数铁氧化物矿石含有处于铁(III)态的铁。例如，非常常见的矿物赤铁矿(Fe2O3)完全处于铁(III)态，磁铁矿(Fe3O4)除了含有铁(II)之外，还含有铁(III)。当溶解时，赤铁矿将离解成Fe3+离子，磁铁矿将离解成Fe3+和Fe2+离子两者。为了电解沉积铁，任何Fe3+都需要首先还原成Fe2+。在本文描述的系统和方法的一些实施方案中，Fe3+还原成Fe2+和电镀可以在单个电解池中进行，通常以由于质子形成氢气的附带电化学还原而产生大量寄生氢为代价。在一些实施方案中，这种析氢称为“寄生的”，因为它消耗来自该电池的电荷和反应物，并且在某些条件下可能在热力学上优于更期望的反应(例如Fe2+还原成Fe)。在本文的其他实施方案中，Fe3+还原成Fe2+和电解沉积步骤分隔在两个单独的电解池中。这允许过程的分离，并进一步促进杂质的移除和系统中的其他有益过程。
本文公开的系统和方法的任选的特征、益处和/或实施方案可包括以下的任何一种：(i)任何酸可用于铁原料材料的溶解，包括但不限于盐酸、硫酸、磷酸、硝酸、乙酸、草酸、柠檬酸、硼酸、过硼酸、碳酸、甲磺酸或这些酸或其他酸的任何混合物或组合；(ii)铁原料可包括任何在例如本文所述的那些的系统中可溶于酸的含铁材料，包括废钢、废铸铁、铁粉、铁矿石或其他含铁矿物(iii)铁矿石可包括任何铁氧化物，例如但不限于赤铁矿(Fe2O3)、磁赤铁矿、水铁矿、磁铁矿(Fe3O4)或铁氢氧化物，例如针铁矿(FeOOH)、正方针铁矿、纤铁矿、水铁矿、褐铁矿或这些的任意组合；(iv)本文所述的多种电化学电池和系统可以在小于零至七的酸性范围中的宽pH范围中运行；和/或(v)氢氧化或其他反应可以用于替代电化学电池的阳极处的水氧化。
为了制造用于大量炼钢的纯铁，含铁原料最好是相对低成本的铁源材料。铁矿石的纯度范围很广，常见的杂质包括硅酸盐，高岭石(一种硅酸盐粘土矿物)，磷、铝、硫、镁、钙和其他元素的化合物或矿物。因为现有的炼钢工艺需要相对高纯度的铁矿石，所以低纯度的矿石和含有大量杂质的废料可以以较低的成本获得。本文所述的多种水性铁生产系统和方法可用于任何纯度的铁原料，包括高纯度铁矿石、低纯度铁矿石、铁或废钢、铁屑或其他含铁原料材料，包括许多由于与现有的大量炼钢工艺不兼容而被认为是废物的原料材料。例如，在本文的系统和方法的多个实施方案中，来自采矿和选矿过程的“细料”或“尾矿”也可用作铁原料材料。
在一些实施方案中，铁矿石(和其他铁原料)可以通过将原料材料溶解在酸中而转化成水溶液，但是该过程在低温下不一定是容易或快速的。本文提供了一些用于预处理一些铁原料材料以改善溶解过程和/或随后的杂质移除的示例性实施方案。这些可以有利地包括由其他工艺步骤产生的废料的再利用。
铁可以在低温(广泛地定义为低于120℃，并且在一些具体实施方案中低于80℃或低于70℃)下通过电镀含有溶解的铁盐的溶液来制备。由于不需要持续保持高温，这种低温工艺与可再生能源的间歇性更加兼容。
在本文的多个实施方案中，溶解在水溶液中的铁可以在单步或多步中电化学转化成金属铁。铁可以以“三价铁的”Fe3+离子或“亚铁的”Fe2+离子的形式存在于溶液中。为了将任何溶解的Fe3+离子转化成铁金属(Fe0)，它们必须首先还原成Fe2+离子。在一些实施方案中，Fe3+还原成Fe2+和Fe2+还原成Fe0可以在单个电池中完成。在其他实施方案中(例如，如在本文中参考图2-图6所述)，三价铁的Fe3+还原成亚铁的Fe2+可以与Fe2+还原成金属铁Fe0分离。
单步铁转化
在一些实施方案中，金属铁可以在单步工艺中通过以下由水性铁溶液制备：在电化学电池的阴极室中通过电镀将三价铁离子和/或亚铁离子(来自铁原料在酸中的溶解)还原为铁金属，同时在阳极半电池室中氧化水以生成氧。
铁原料材料可通过将该原料溶解在酸中而转化成水溶液(例如，如本文其他地方的多个实施方案中所述)。一旦成为溶液，根据以下反应式，使用电解电化学电池可将三价铁的铁直接转化为铁金属，其中三价铁的铁还原为金属铁发生在阴极处，水氧化为氧发生在阳极处：
阳极处的半反应：H2O→2H++1/2O2+2e (反应式1)
阴极处的半反应：Fe3++3e→Fe (反应式2)
总反应：2Fe3++3H2O→6H++3/2O2+2Fe (反应式3)
图1A显示了根据该工艺的转化的示意图。然而，铁矿石氧化物在酸中的溶解通常并不快，并且在大多数情况下生成三价铁(Fe3+)盐。由于溶液中的三价铁的铁与镀的铁金属之间存在相互作用，在溶解的矿石溶液中主要存在的三价铁盐会导致低效的镀金属铁。更严重的是，如果将质子交换膜(PEM)用作电化学电池中的隔膜，则在阴极侧(也是镀侧)生成酸。结果，产生的酸倾向于侵蚀镀的铁，导致电池的库仑(或法拉第)效率非常低。
此外，酸性溶液的低pH可能会在镀铁过程中引起寄生的析氢反应。这种析氢进一步降低了一步铁转化工艺的库仑(或法拉第)效率。然而，生成的任何氢可以被捕获并重新用于本文其他地方所述的另一目的。
或者，如图1B所示，可以使用阴离子交换膜(AEM)。在这种情况下，酸在阳极侧生成，防止了酸对镀的铁的直接侵蚀，但是酸与水侧混合导致了显著的稀释，并且酸不容易回收以进一步用于铁矿石的溶解。这意味着不可回收的酸和大量酸废物的生成。
在替代实施方案中，代替在电解池的阳极处氧化水，氢气流可以引导至阳极室以在阳极处氧化。在一些实施方案中，这种“氢去极化”阳极可以用比析氧阳极的一些实施方案可能需要的成本更低的材料制成。在多个实施方案中，用于这种实施方案的氢可以由氢储存系统或由氢生产系统如水电解器(例如，PEM水电解器、AEM水电解器或碱性水电解器)来提供。
替代的两步铁转化工艺克服了上述缺点，同时引入了新的协同优势。
两步铁转化
参考图2、图3、图4和图6，在一些实施方案中，铁转化系统100可以分成两个主要的子系统：溶解子系统102和镀子系统130。溶解子系统102通常可配置为在低温下有效且相对快速地溶解铁原料材料152，以形成溶解铁溶液122。溶解子系统102可进一步配置为在将溶解铁溶液122转移到镀子系统130中的镀电池132之前，在“酸再生”电池104中将溶解铁溶液122中的三价铁(Fe3+)离子转化为亚铁(Fe2+)离子。镀子系统130通常可配置为将溶解的亚铁的铁通过电解镀成固体形式，所述固体形式可在148处移除并作为相对纯的铁出售，并准备镀子系统130以用于进一步的镀。一旦溶解的铁溶液122被镀电池132充分耗尽亚铁的铁，它可以返回到溶解子系统102，以用于后续的溶解加上酸再生电池104。
如下文将进一步描述的，在一些实施方案中，溶解的铁溶液122可分成镀阳极电解质和镀阴极电解质。镀阳极电解质可在镀阳极电解质罐144和镀电池132的阳极室138之间再循环，在该阳极室138内，镀阳极电解质中的物质将在阳极140处氧化。镀阴极电解质可在镀阴极电解质罐142和镀电池132的阴极室134之间再循环，在此铁将电镀到阴极108上。在148处，可以通过多种方法从镀电池132中移除铁，下文描述了这些方法的实例。在一些情况下，氢气可以从镀电池阴极室134中析出146。这种氢气可以被捕获和储存以用于本文所述的其他子过程。
与在单个镀电池中执行两个还原步骤(例如，如参照图1A和图1B所述)相比，将三价铁还原成亚铁与将亚铁还原成Fe金属分离允许整个系统100的显著改进和成本节约。
如图所示，酸再生电池104可配置为在阴极室106中将三价铁离子(其在原料120溶解过程中产生)还原成亚铁离子，同时在阳极112处氧化由反应物源116供应的可消耗反应物。在一些实施方案中，阳极反应物可以是水，并且阳极112可以从阳极室110析出氧111。在替代实施方案中，酸再生电池阳极110可以配置为氧化由反应物源116(其可以是存储系统或制氢系统，例如水电解器)供应的氢气反应物。
在多个实施方案中，可执行一个或多个处理步骤124、126、128、125、127来调整溶解铁溶液122以移除材料或以增加或降低该溶液的一种或多种成分的浓度。例如，处理步骤124(图2、图6)可包括引导溶解铁溶液122通过处理容器离开溶解罐118，该处理容器配置为移除溶解过程中释放的材料的固体颗粒和/或胶体分散体。在一些情况下，来自铁原料的二氧化硅可作为胶体分散体中的凝胶状物质进入溶解铁溶液122，这可能干扰酸再生电池104内的操作。处理步骤124可包括将溶液与絮凝剂如聚乙二醇、聚环氧乙烷或其他已知可有效从溶液中移除胶态二氧化硅的絮凝剂接触。处理步骤124还可包括移除可能对酸再生电池104中的操作有害的物质所需要的任何其他固液分离技术、装置或添加剂。
镀子系统130可包括镀电池132，所述镀电池132具有在阴极室134中的阴极136和在阳极室138中的阳极140，所述阴极室134流体连接到阴极电解质罐142，所述阳极室138流体连接到阳极电解质罐144。亚铁离子可以在镀电池132的阴极室134中还原成镀的金属铁，而亚铁离子在镀电池132的阳极室138中氧化成三价铁离子。
酸再生辅助的铁原料的溶解：
申请人已经发现，通过使用连接到溶解罐118的酸再生电池，可以大大加速铁矿石(和其他铁原料材料)的溶解。如图2所示，酸再生电池104可配置为在酸再生电池104的阴极室106和一个或多个溶解罐118之间再循环酸溶解溶液122。可氧化成质子的可消耗反应物117(例如水、氢气或其他可氧化以形成质子的气态或水性物质)的源116可以流体连接到酸再生电池104的阳极室。
铁原料120的溶解加上酸再生电池104包括铁原料材料在酸水溶液中的溶解，其中酸通过电解酸再生电池104电化学再生。下文参照盐酸(HCl)溶液和图2提供了实例，然而该过程不限于盐酸，并且可以以基本相同的方式用任何酸包括硫酸、硝酸、柠檬酸、乙酸、硼酸、甲磺酸、草酸或其他酸来进行。类似地，给出了赤铁矿(Fe2O3)作为铁矿石原料的实例，但是该过程适用于所有其他铁原料材料，包括针铁矿、磁铁矿(Fe3O4)、菱铁矿(FeCO3)和其他矿石以及任何其他铁原料材料。
在一些实施方案中，铁原料120在引入到溶解罐122之前进行碾磨或研磨以形成在期望范围内的颗粒。在其他实施方案中，原料122在引入到溶解罐118之前可通过空气焙烧和/或通过热还原(如本文参考图9和图10所述)进行预处理。
当赤铁矿溶解在盐酸溶液中时，会发生以下反应：
Fe2O3+6HCl→2Fe3++6Cl-+3H2O (反应式4)
赤铁矿在盐酸溶液中溶解时会变成三氯化铁。铁氧化物的溶解通常不是快速反应，并且实验表明，作为赤铁矿溶解产物的三氯化铁(FeCl3)浓度的增加会降低溶解速率。另一方面，增加酸浓度有助于加快溶解。实验还表明，添加亚铁(Fe2+)盐如氯化亚铁(三氯化铁的还原形式)，也倾向于提高溶解速率。事实上，这些效果的组合可导致赤铁矿矿石或针铁矿矿石在小于约24至30小时的可接受时间范围内基本上完全溶解。
在一个实施方案中，如图2所示，原料溶解过程可以与电化学过程结合。溶解罐118可部分填充有固体铁原料120(例如，在该实例中为赤铁矿和/或针铁矿)和酸性溶液122(在该实例中为盐酸)。赤铁矿和/或针铁矿原料可通过酸部分地溶解以形成三氯化铁溶液(即，在溶液中离解成Fe3+和Cl-离子的FeCl3)，在该过程中消耗酸，同时产生水。如果使用其他类型的铁矿石，如磁铁矿(Fe3O4)或菱铁矿(FeCO3)，还可能形成除了三价铁以外的氯化亚铁。
氯化亚铁和三氯化铁溶液123(在图2中表示为Fe2++Fe3+)可以从溶解罐118进料到酸再生电池104(其可以是多个电池的堆叠)的阴极室106。酸再生电池104包括阴极108、阳极112和隔膜114。隔膜114可以是任何可用的类型，包括质子交换膜(PEM)(或阳离子交换膜)、阴离子交换膜(AEM)、聚合物或陶瓷微孔隔件、或其他多孔隔件、离聚物、或这些的组合。
在一些实施方案中，有利的是，酸再生电池隔件114为PEM膜或微孔隔件或其组合，以通过允许在阳极112产生的质子穿过进入阴极室106来提供阴极电解质中酸(质子)的再生。来自蓄水池116的水可以进料到酸再生电池104的阳极室110中。根据半反应(5)，当将电流施加到电池104时，将水氧化以生成氧气和质子。
阳极处的半反应：H2O→2H++1/2O2+2e (反应式5)
如果质子交换膜(PEM)或微孔隔件用作阳极和阴极之间的隔膜，由水电解生成的质子(根据反应式(5))从阳极室110迁移到阴极室106。
在阴极108处，根据以下发生三价铁还原成亚铁：
Fe3++e→Fe2+ (反应式6)
注意，该反应可以控制为在亚铁生成时停止，而不一直进行到酸再生电池104中的铁金属沉积，或者甚至控制为只生成氢。铁的沉积可能是由于在酸再生电池104运行的电流密度下供应到酸再生电池104中的Fe3+离子不足造成的。也就是说，如果Fe3+离子电化学还原成Fe2+的速率快于该Fe3+离子被新溶解的原料中的Fe3+离子取代的速率(例如，流速太低或对于给定的流速的电流太高)，那么下一个最可能的反应将是水还原以形成氢气，然后是铁沉积。如果发生这种情况，将可以检测到电池电压的急剧增加，至少0.77V，超过稳态三价铁还原。因此，如果检测到电池电压明显高于(例如，0.77V或更高)三价铁到亚铁转化电势，则可通过增加三价铁溶液的流速和/或通过降低施加到酸再生电池104的电流密度来停止和进一步防止氢产生和/或铁沉积。在一些实施方案中，酸再生电池电流密度可以响应于从间歇性或可再生能源电源中检测到的或传递的可用功率的增加或减少而增加或减少。
另一方面，酸再生电池104中的一定量的铁沉积并不一定是一个问题，因为当三价铁浓度再次升高时，任何沉积的铁将被新的三价铁(Fe3+)溶解。因此，在一些实施方案中，响应于检测到酸再生电池104中的铁沉积，可以增加阴极电解质的流速和/或增加施加到酸再生电池104的电流，直到电压由于三价铁离子浓度的增加而返回到“正常”范围。
当三价铁溶液转化为亚铁溶液时，可能会发生相同的结果(即，可利用的Fe3+的量对于所施加的电流来说可能太低)。因此，在一些实施方案中，根据所谓的CC-CV方案运行酸再生电池可能是有益的，在该CC-CV方案中电池在恒定电流(CC)下运行，允许电压变化，直到达到阈值电压，其中阈值电压指示铁沉积的开始(或三价铁到亚铁转化和镀铁之间的混合电势平均电压)。当达到阈值电池(或半电池)电压时，酸再生电池104可以在等于或低于阈值电压的恒定电压下运行，允许电流降低并渐近地接近零。可以施加恒定电压直到达到目标电流或电流密度(例如，约0.1mA/cm2至约10mA/cm2，任选地约0.1mA/cm2至约0.5mA/cm2)，或持续足够长的时间使得“足够”的Fe3+转化为Fe2+。达到“足够”所需的目标电流和/或时间可以根据经验并基于经济因素来确定。
来自酸再生电池104的阳极112的质子与从三价铁的铁盐还原中获得的阴离子形成酸(例如，与从三氯化铁还原中获得的氯化物一起可以形成盐酸)。离开酸再生电池104的阴极室106的溶液125因此富含亚铁盐和酸(例如氯化亚铁和盐酸)。因为Fe金属的形成通常在该步骤中被阻止，所以没有由于金属的酸侵蚀而导致的效率损失。溶液125然后返回到溶解罐，在那里新生成的酸用于溶解更多的铁原料120，将其转化为三价铁盐(例如三氯化铁)，并且该过程继续进行。酸因此再生以用于进一步的铁矿石溶解。
在酸再生电池104的阳极112侧，离开阳极室110的溶液117r可以通过气-液分离装置(图2中未示出)进料，其中在将剩余的水返回到储水器并随后返回到酸再生电池104的阳极室之前，可以从溶液中移除氧。可选地或此外，气体分离可以直接在储水器116内进行。
电化学酸再生电池104的一个功能是将三价铁的铁还原成亚铁的铁，从而将溶解产物转化成具有还原的氧化态的不同产物。这种三价铁离子的移除避免了溶解产物的累积，并且已经发现能大大提高铁矿石的溶解速率，其程度超过了预期。此外，该过程将三价铁(其累积会阻碍进一步的溶解)转化成了亚铁，其是对铁氧化物溶解具有有益效果的化合物。在具有连续液体再循环的溶解过程中，酸再生电池104使得三价铁浓度保持相对低，同时增加了亚铁浓度，从而对含有大量铁氧化物的铁原料的溶解产生了双重益处。
酸再生电池104的第二个功能是再生由铁原料的溶解消耗的酸。在没有酸再生电池104的情况下，酸浓度将随着溶解的进行和酸在溶解反应中的消耗而逐渐降低。当将PEM用作酸再生电池104中的隔膜时，酸再生并与阴极室106中的富亚铁溶液混合，然后再返回到溶解罐118，在那里两者都对铁原料120的溶解有积极的益处。
在一些实施方案中，溶解罐118可以保持在高于环境的温度，因为较高的温度有助于溶解。典型的温度范围可以为20℃至120℃，在一些实施方案中优选为40℃至100℃，特别是为约50℃至约90℃。在多个实施方案中，酸再生电池104可以在约40℃至80℃的温度下运行，优选在约60℃+/-10℃的温度下运行。施加到酸再生电池104的电流密度可以为约0.1A/cm2至约2A/cm2。
在一些实施方案中，最终溶解的铁浓度目标通常可为0.1M至4M，在一些实施方案中优选为0.5至2M。通常，铁浓度应保持低于其在所用溶液中的溶解度极限，以避免不必要的沉淀。
对于给定的向酸再生电池104施加的电流，可以控制通过酸再生电池104的阴极室106的阴极电解质的流速来向电子递送至少化学计量比的三价铁离子(如上所述)。类似地，在施加到酸再生电池104的电流下，阳极室110中的水(或其他反应物)料流优选保持在超过水分解(或其他消耗反应物的反应)的化学计量要求。在多个实施方案中，施加到酸再生电池104的电流可以在约0.1mA/cm2至约2,000mA/cm2的范围中，或者在一些更具体的实施方案中，在约0.5mA/cm2至约1,000mA/cm2的范围中，或者可以在该范围中变化，这取决于可用的三价铁浓度和/或电力的可用性。基于本公开和附图将会清楚的是，酸再生电池104可以在与镀电池132不同的电流密度下运行。
在一些实施方案中，酸再生电池104的阴极108可以是任何基于碳或石墨的电极，例如碳或石墨毡、纸或布或任何在三价铁/亚铁盐环境中稳定的电极材料。酸再生电池104的阳极112可以是水电解领域中可用的任何典型的电极，包括但不限于：贵金属电极(例如，混合金属氧化物，其包括Ir、Ru、Pt、Rh、Pd等的金属和氧化物或其他化合物)，尺寸稳定阳极(DSA)、铅和二氧化铅电极、其他基于氧化物的电极等。金属或混合金属氧化物可以负载或不负载在包括钛颗粒等的催化剂载体上。在本文所述的一些实施方案中，酸再生电池104的阳极112可以是配置为氧化氢气的氢去极化阳极，并因此可以包含任何合适的氢氧化催化剂，类似于常规用于基于PEM的氢燃料电池中的那些催化剂，包括碳载铂或任何其他氢氧化催化剂。在一些实施方案中，酸再生电池104可以在20至100℃的宽温度范围中运行，优选在40至80℃的宽温度范围中运行。
待进料至酸再生电池104的阳极室110的水溶液可以是纯水，或者可以包含盐，以增加相对于阴极电解质的渗透压，如下文进一步描述的。例如，在硫酸盐化学成分的情况下，盐可以包括任何可溶性硫酸盐，例如硫酸铁、硫酸钠、硫酸钾、硫酸铵等。此类支持盐在镀电池中可能特别有益，以便在通过镀反应从溶液中移除亚铁的铁时保持电解质的导电性。这种水可以来自外部来源，或者可以从系统回收(因为铁矿石的溶解产生水)，或者可以是外部水和内部回收水两者的组合。
如本文所述，水是由矿石的溶解产生的(在某些情况下，矿石本身也可能含有水)。因此，随着更多矿石的溶解，酸再生电池阴极电解质(即，最终将转移到镀电池的富铁酸性溶液)中的水含量不断增加，导致溶液进一步稀释。同时，水在酸再生电池104的阳极电解质中分解(并因此消耗)。因此，可能需要从酸再生电池104的阴极电解质中提取水，并将提取的水添加到供给阳极电解质的水源中。在一些实施方案中，这可以通过渗透来实现。因此，在一些实施方案中，酸再生电池104的阳极电解质117可提供超过酸再生阴极电解质123中的最大盐浓度的盐浓度，从而产生使水从阴极电解质进入阳极电解质的渗透压。在替代实施方案中，可以通过更有效的方法，例如闪蒸、膜蒸馏、反渗透或其他方法，从酸再生电池阴极电解质中提取水。如果需要，在将分离的水添加到酸再生电池的阳极电解质之前，分离的水可以在任何方便的点进行过滤或以其他方式纯化。
在一些实施方案中，酸性溶液可以在酸再生电池104的阴极室和溶解罐118之间连续循环。在通过溶解罐118的每个循环中，一部分酸将通过溶解反应(例如，上面的反应式4)消耗，并且在通过酸再生电池104的每个循环中，一部分酸将随着一部分三价铁的还原而同时再生。因此，通过在酸再生电池104和溶解罐118之间连续再循环酸性阴极电解质，可在大部分溶解过程中在阴极电解质中保持酸的稳态浓度(例如，如通过质子浓度或pH所测量的)。例如，在一些实施方案中，在酸再生加上溶解的稳态运行过程中，阴极电解质中的质子浓度可保持为至少0.2M。在一些实施方案中，在正常运行过程中，定义为新循环开始的初始状态对应于从镀子系统返回的主要为三价铁的溶液，其具有低的酸含量。在一些实施方案中，初始酸浓度(在电解质从酸再生子系统返回之后和重新启动酸再生器之前)通常处于循环中的最低点，通常小于0.2M(摩尔每升)。酸再生电池中返回的三价铁的还原可产生酸。
如图6所示，所述“溶解罐”118可包括许多单独的罐118，这些罐可按顺序使用或以其他方式使用，以进一步将溶解子系统工艺和装置102与镀过程和装置130分离，从而在管理这两个步骤的不同反应速率方面提供进一步的优势。例如，在一些实施方案中，酸性溶液可以在酸再生电池104和第一溶解罐118之间再循环，直到达到期望的溶解停止点，在该点，可以操作阀或其他流量控制装置来停止酸再生电池104和第一溶解罐118之间的流动，并将酸再生电池104与第二溶解罐118连接。可替代地或此外，在一些实施方案中，在再恢复与用酸再生电池104的流动之前，酸性溶液(酸再生阴极电解质)可以在溶解罐118中停留一段时间。在这些和其他实施方案中，单个酸再生电池104可以在不同时间与多个不同的溶解罐118连接。
在一些实施方案中，通常可以尽可能地驱动Fe3+向Fe2+(三价铁向亚铁)的转化，从而渐近地接近0％三价铁和100％亚铁的溶液。实际上，当认为溶解过程“完成”时，一些三价铁离子将可能保留在溶液中，并且酸pH可能保持在低于纯亚铁的铁溶液的自然pH。如果在镀铁过程中溶液的pH保持过低(即低于纯亚铁溶液的自然pH)，则可能发生寄生的析氢反应，直到形成过量的质子。在一些实施方案中，如本文参考图10所述，溶解过程接近结束时剩余的一些酸可通过使酸性溶液与一定量的高溶解性矿石材料(例如，磁铁矿)接触来消耗。或者，如下文所述，在溶解结束时存在的任何剩余的酸或三价铁可在“辅助铁”处理(这也可导致氢析出)中消耗。通过这种反应析出的任何氢都可以捕获并重新用于本文其他地方所述的另一目的。
在多个实施方案中，酸再生电池104的阴极电解质122中的酸性溶液可具有范围为0.01M至6M的可变酸浓度。随着溶解的进行，酸会消耗。对于还原的每摩尔三价铁，酸再生电池104有利地回收一摩尔质子。然而，从原料中溶解的每摩尔三价铁会消耗三摩尔质子，因此原料的进一步溶解将进一步降低阴极电解质中的总质子浓度。
因此，在一些实施方案中，当酸浓度(例如，如通过pH或质子浓度的其他测量所测量的)达到预定低点时，可以终止溶解过程。例如，在一些实施方案中，当酸再生阴极电解质中的质子浓度降至0.4M、0.3M、0.2M、0.1M(分别对应于0.4、0.52、0.7、1的pH)的低点或更低的点时，可以终止溶解过程。
可替代地或此外，当总铁浓度(即Fe2+和Fe3+浓度之和)达到期望的最大值时，可以终止溶解过程。在多个实施方案中，期望的最大铁浓度可以是约1M至约4M。总铁浓度可以通过库仑滴定技术，通过光学方法如紫外可见光谱分析、红/绿/蓝(RGB)分析或其他光学或光谱技术来测量。在一些具体实施方案中，例如，当期望的铁浓度达到例如1M、1.5M、2M、2.5M、3M、3.5M、4M或更大的最大值时，可以停止溶解过程，这取决于酸化学成分。
在一些实施方案中，一旦确定溶解条件结束，富亚铁的铁酸性溶液可从酸再生电池104转移至后续工艺步骤。在一些实施方案中，如下所述，下一步可以是“辅助铁”处理。在其他实施方案中，富亚铁的铁溶液可直接转移至镀子系统。
在其他实施方案中，当确定溶解条件结束时，可停止到酸再生电池的电流，以结束酸再生，并且富铁酸性阴极电解质可与热还原矿石如磁铁矿接触以消耗一部分剩余的酸。在一些实施方案中，磁铁矿可以在停止到酸再生电池的电流之后(或刚好在此之前或大约同时)加入溶解罐中。在其他实施方案中，阴极电解质溶液可以重新引导到基本上仅包含磁铁矿的单独容器中。因为与其他类型的矿石相比，磁铁矿溶解得非常快(如本文所述)，在溶解结束时使阴极电解质溶液与磁铁矿接触将倾向于消耗一部分剩余的酸(质子)，从而减少在后续步骤中(例如，如本文所述，在镀电池中、在抛光电池中、或在“辅助铁”处理中)要移除或消耗的酸的量。在多个实施方案中，涉及不同加工的矿石的顺序溶解的其他过程是可能的，其中的一些实施方案在下文中参考图5A和图5B进行描述。
在其他实施方案中，当确定溶解条件结束时，可停止到酸再生电池104的电流，以结束酸再生，并且富铁酸性阴极电解质可与还原矿石如磁铁矿接触以消耗一部分剩余的酸。在一些实施方案中，磁铁矿可以在停止到酸再生电池104的电流之后(或刚好在此之前或大约同时)加入溶解罐118中。在其他实施方案中，阴极电解质溶液可以重新引导到基本上仅包含磁铁矿的单独容器中(如下文参考图10进一步描述的)。因为与其他类型的矿石相比，磁铁矿溶解得非常快(如本文所述)，在溶解结束时使阴极电解质溶液与磁铁矿接触将倾向于消耗一部分剩余的酸(质子)，从而减少在后续步骤中(例如，如本文所述，在镀电池中、在抛光电池中、或在“辅助铁”处理中)要移除或消耗的酸的量。在多个实施方案中，涉及不同加工的矿石的顺序溶解的其他过程是可能的，其中的一些实施方案在下文中参考图10进行描述。
在一些实施方案中，如本文其他地方所述，任选的固液分离步骤124可以在通过溶解罐的每个循环之后进行。在某些情况下，铁原料的溶解可能导致一定量的二氧化硅(或其他未溶解的物质)以颗粒或胶体分散体的形式进入液体。因此，在一些实施方案中，可能需要在将溶液返回酸再生电池104之前从溶液中分离固体材料。在一些实施方案中，固体可以在该阶段通过任何合适的固液分离装置或技术(包括过滤、重力沉降、水力旋流器、絮凝、高剪切或低剪切错流分离，或这些或其他的任意组合)来移除。在一些实施方案中，胶体材料如二氧化硅可通过用絮凝剂如聚乙二醇、聚环氧乙烷或类似材料进行絮凝来移除。在一些实施方案中，可对离开溶解子系统102的所有液体执行额外的处理步骤126(图4)，例如辅助铁处理、固液分离或其他处理工艺。例如，在一些实施方案中，不可溶性材料如石英可以通过过滤或其他固液分离来分离。在一些实施方案中，例如，不可溶的但细小的悬浮液如胶态二氧化硅的移除可以在单独的步骤如絮凝中进行，任选地随后是过滤、沉降和/或其他物理分离手段。
在多个实施方案中，酸再生电池104可以配置为单个电池或电池堆，其中多个电化学酸再生电池以电串联的双极配置或以电并联的单极配置或这些配置的组合而组合成共同的单元104。酸再生电池堆可以以电化学电池堆中常见的任何方式来配置，包括压滤配置(例如，通过液压活塞或拉杆或其他压缩装置进行压缩)，或其他配置。在多个实施方案中，电化学堆的典型附加组件可以包括集流器、双极板、流体通道、端板等。
在多个实施方案中，可以包括附加的组件或装置，例如过滤系统、泵和热交换器等，以提供其他操作，包括从溶解罐向酸再生电池104以及向/从其他子系统的流体转移，以及实现温度调节。在一些实施方案中，可以在同一溶解罐中例如以选定的顺序提供原矿、焙烧矿和/或还原矿，例如以选择性地改变原料条件。在一些实施方案中，代替使用多个罐，可以在同一溶解罐中例如以选定的顺序提供原矿、焙烧矿和/或还原矿，例如以选择性地改变原料条件。
辅助铁处理
在一些实施方案中，在溶解过程完成时，富铁酸性溶液的全部或一部分可以导入可进行“辅助铁处理”过程的反应容器中。根据在溶解结束时富铁酸性溶液的条件和递送到镀子系统的溶液的所需条件，可能发生三种可能反应中的一种或多种：酸消耗、三价铁还原和/或杂质沉淀。
用于与富铁酸性溶液反应或以其他方式改变富铁酸性溶液成分的目的的金属铁在本文中称为“辅助铁”，并且可以包括任何包含以足够小尺寸的颗粒的金属铁的材料，以促进与溶液的所需反应。辅助铁材料可包括但不限于废钢、废铁、铁屑(例如来自其他工业过程的细颗粒含铁屑)、生铁、电解铁、或从本文所述的任何铁转化过程(或其他过程)回收的铁、或这些或其他含金属铁的材料的组合。辅助铁材料可以是任何粒度，但是更小的颗粒通常能够具有更快的反应速率。然而，在一些实施方案中，甚至相对大的颗粒(例如，大于2cm)也可以用作“辅助铁”。
根据下式，当富铁酸性溶液与金属铁接触时，任何剩余的酸将倾向于与金属铁反应，以将金属铁转化为亚铁(Fe2+)离子，同时释放氢气：
Fe+2H+→Fe2++H2 (反应式7)
因此，在一些实施方案中，辅助铁反应容器(例如，溶液可以在其中与辅助铁接触的罐或其他容器)可以配置为封闭容器，从中析出的氢气可以收集并引导至另一过程或子系统，如本文其他地方所述。
在一些实施方案中，在溶解过程完成时，存在于富铁酸性溶液中的任何剩余的Fe3+离子可通过将Fe3+离子暴露于金属铁而还原成Fe2+，其中该金属铁将溶解并与三价铁离子反应以将二者都转化成亚铁离子。例如，Fe3+可以通过使主要含亚铁的溶液流过或通过一定量的金属铁颗粒(“辅助铁”)而还原成Fe2+。根据下式，这将产生将溶液中的一些金属铁和Fe3+转化为Fe2+的效果：
Fe3++Fe→2Fe2+ (反应式8)
有利的是，这两个反应(酸消耗和三价铁还原)将通过减少(或潜在地消除)Fe3+以及通过减少镀铁过程中的寄生的析氢反应的发生来提高镀子系统中镀铁的效率。
在一些实施方案中，过量的酸和三价铁离子可在单独的电化学电池(“抛光电池”)中消耗，该电池配置为通过消耗酸来将剩余的Fe3+电解转化为Fe2+并升高阴极电解质的pH。这种电池可以允许杂质的移除与消耗过量酸和三价铁的过程分离。在一些实施方案中，抛光电池可以配置为基本上类似于镀电池，但是不需要提供金属铁的移除。在一些实施方案中，抛光电池可配置为在没有任何电镀和在电池阴极使用贵金属电极如Pt的情况下引起H2析出。
杂质的移除
一些杂质，包括高岭石和其他硅酸盐矿物，通常不溶于在酸再生电池中产生的酸性溶液。因此，当将含有这种不可溶性杂质的矿石或其他原料研磨成小颗粒并置于与酸再生电池104相连的溶解罐中时，可以将该不可溶性杂质从溶液中过滤出来，在罐的底部收集并作为固体从罐中移除，或者通过任何其他合适的固液分离技术或装置移除。在多个实施方案中，收集的固体杂质可以处理和处置或用于“杂质”可以是原料的其他工艺中。
一些固体杂质，包括一些形式的无定形二氧化硅，可能倾向于在酸性溶液中形成胶体分散体。这种材料可以通过用絮凝剂如聚乙二醇或聚环氧乙烷进行絮凝而从溶液中分离出来。尽管如此，一些二氧化硅可能仍会溶解。
一些杂质可能与溶液中的铁或其他物质形成溶解度相对低的化合物。术语“溶解度”是指化合物在给定溶液中的热力学溶解度极限，即浓度极限，超过该极限，化合物将开始作为固体从溶液中沉淀出来。
重要的可溶性杂质包括铝、硅、钛和磷等的化合物。铝化合物溶解形成Al3+阳离子，磷通常溶解形成磷酸盐PO4 3-。这些杂质会给下游工艺如泵送、过滤、酸再生、镀铁等带来多种问题。铝杂质可能以最高达未加工矿石的约10重量％的量存在于铁矿石中。虽然磷倾向于以小得多的量(例如，通常小于1％，但是可以更多)存在，但是即使少量的磷也必须在炼钢工艺之前移除，并因此在由镀电池生产的镀的铁中是不期望的。特别是，已经发现铝和磷的杂质会干扰电镀铁过程。
如图8A所示，随着pH增加到3以上，氢氧化铝的溶解度显著降低(例如，在pH 3至5时溶解度下降了6个数量级)。虽然未示出，但铁(II)氢氧化物(Fe(OH)2，或“亚铁”氢氧化物)在该pH范围中具有更高的溶解度。这表明可以通过将pH升高到3以上直到约5(例如，从在溶解结束时的约1或2的pH)来沉淀氢氧化铝(Al(OH)3)，而没有大量的铁离子沉淀。类似地，出于类似的原因，铁或铝的磷酸盐也可以沉淀，而不必沉淀大量的铁。在一些情况下，胶体二氧化硅也可以通过升高溶液pH(例如，通过絮凝以及其他物质的沉淀)来移除。氢氧化钛(如果存在的话)也将在相似的pH范围中沉淀，并且也可以从溶液中分离和移除。
通常希望在不向溶液中加入新元素的情况下升高溶解的矿石溶液的pH(因为任何这样的新元素都可能进一步影响其他过程和/或使其他过程复杂化)。因此，在一些实施方案中，金属“辅助铁”可用于将溶液pH升高到足以沉淀这些杂质。
随着辅助铁的额外消耗(即，通过与酸反应形成氢气)，pH升高，磷将倾向于主要以磷酸铝盐的形式沉淀，因此在移除磷时不一定消耗铁。
Al3+ (aq)+PO4 3- (aq)(在pH＝1时)→AlPO4(s)(在pH＝3时) (反应式9)
对于金属阳离子如铝，铁置换溶液中的阳离子，使金属以氢氧化物的形式沉淀。在设计用于生产基本上纯的铁的系统中，杂质的量可以用杂质与铁的摩尔比来表示。例如，根据反应式10，对于每摩尔待移除的铝，必须使用1.5摩尔的辅助铁(使用硫酸作为非限制性实例)：
Al2(SO4)3(aq)+3Fe+6H2O→2Al(OH)3(s)+3FeSO4(aq)+3H2 (反应式10)
该反应消耗水并生成氢气。由于阳离子的水解，移除的质子是酸性的(下面的反应式11)。在一些情况下，析出的氢气的至少一部分可收集并用于系统内的另一过程，如本文所述。
Al3++H2O→AlOH2++H+ (反应式11)
在一些情况下，通过仅向用于电镀铁的富铁酸性溶液的部分(即，用作镀阴极电解质的溶液的部分)添加铁来移除杂质可能是有益的。因此，在使用酸再生器并将电解质分成两部分用于电镀步骤的情况下，只有指定为镀电池阴极电解质的部分(例如，离开酸再生器的电解质的约1/3)可以通过添加辅助铁金属来处理。
当金属铁溶解在溶液中时，它也会将任何溶解的三价铁的铁(Fe3+)转化为亚铁的铁(Fe2+)。例如，根据反应式12，每摩尔硫酸铁转化成硫酸亚铁将消耗0.5摩尔金属铁(以硫酸作为实例)：
Fe2(SO4)3+Fe→3FeSO4 (反应式12)
根据反应式13，溶解的金属铁也可以以1比1的摩尔比消耗经处理的电解质中的剩余酸：
H2SO4+Fe→FeSO4+H2 (反应式13)
因此，可以基于测量的、估计的或假定的杂质(例如，特别是铝和/或磷)、剩余的三价铁离子和剩余的酸的量来确定要添加到一定量的电解质中的辅助铁的量。将电解质暴露于过量的辅助铁(即，比实现反应式10、反应式11、反应式12、反应式13的反应所需的更多的金属铁，使得在那些反应尽可能地进行之后，一些金属铁保留)可能是有益的。如果需要，可以通过多种分离方法(包括浮选、过滤和磁力分离)中的任何，将辅助铁从沉淀的杂质中分离出来。类似地，沉淀的杂质可以通过任何合适的固液分离装置或技术从溶液中移除。在一些实施方案中，可将经处理的溶液从进行杂质移除(和/或辅助铁)处理的容器中泵出，将铁金属和沉淀的杂质留在罐中以用于下一个处理循环。
即使不存在铝，也可以通过磷酸铁的沉淀有效地移除磷，如图8B和图8C中的溶解度图所示，其显示了多种磷酸铁和铁氧化物化合物的溶解度。在处理阶段的开始，总会有残余的三价铁浓度。如图8C所示，磷酸铁具有非常低的溶解度，因此，一旦pH由于反应式7中的反应而增加，磷酸铁会从溶液中沉淀出来。
根据杂质的类型，可以使用多种其他处理或移除杂质的方法。例如，不可溶性杂质可以简单地通过过滤、重力、离心分离或其他机械分离作为固体移除。可能干扰镀铁的可溶性杂质可以通过与其他材料如铁(包括在“辅助铁”处理过程中)、铝形成化合物来移除，或者如果最终电镀材料中这种杂质的浓度是可接受的(这可能取决于具体产物或所生产的铁材料的最终用途)，可以简单地允许其与铁一起沉积。
对镀无害的可溶性杂质可以简单地留在溶液中。最终，这些杂质的浓度会累积到可以通过提取水来移除它们的程度。或者，不常见的杂质可能最终在浓度上累积(例如，经过足够的溶解和镀循环)到足以通过由于pH变化导致的沉淀或通过其他方法移除。仍在其他实施方案中，当这种杂质累积到足够的水平时，可以简单地更换电解质溶液。
镀铁子系统
在一些实施方案中，上文参考图1A和图1B描述的一步铁转化过程可适用于在第二电化学电池中将酸再生电池104中产生的亚铁的铁转化成金属铁，所述第二电化学电池的配置不同于上文描述的镀电池132。在这样的实施方案中，来自酸再生电池104的亚铁的铁溶液可用于在电化学镀电池(未示出)的阴极处镀Fe金属，同时在同一镀电池的阳极处氧化水。这里可以使用阴离子交换膜，使得在阳极侧(即水氧化侧，从而最小化与镀的铁的酸反应)生成酸。然而，这样的实施方案具有缺点，即水分解电极可能相对昂贵，因此在高电流密度下运行最经济，而镀铁反应进行得相对缓慢，并且不能在高电流密度下有效地驱动。
在一些实施方案中，铅氧化物电极可用作镀电池中相对低成本的析氧阳极，这可使较低电流密度的运行更经济实用。在替代实施方案中，镀电池阳极可以是氢氧化阳极，所述氢氧化阳极配置为氧化由诸如氢存储装置的源提供的或者直接由水电解器(例如，PEM、AEM或碱性水电解器)提供的氢气。另一种降低镀电池的成本的方法是将铁沉积(亚铁还原)反应与不同的氧化反应结合，例如氧化来自溶解子系统的亚铁溶液的一部分。
参考图6(但也参考其他附图)，铁转化系统100的一些实施方案可包括镀子系统130，其配置为从在溶解子系统中产生的水性铁溶液中生产铁金属。如上所述，溶解子系统102中的溶解过程可以运行，直到溶液中的铁浓度达到期望值。此时(或在随后的处理如“辅助铁”处理后)，溶液优选是主要为亚铁的溶液。在一些实施方案中，然后溶液可分成两个分开的流，分别代表将用于镀电池132中的阴极电解质和阳极电解质。
离开溶解子系统102的溶液可以通过转移系统164转移到镀子系统130。转移系统164以简单的导管示出，但是可以根据需要包括任何数量的流量控制或过程控制装置。类似地，在镀过程结束时，一些废电解质溶液可在转移器166处从镀子系统130转移到溶解子系统102，转移器166也可根据需要包括任何数量的流量控制或过程控制装置。
在一些实施方案中，进入镀子系统130的溶液可分成阴极电解质流和阳极电解质流，其比例为进入镀子系统130的初始液体体积的约三分之一和三分之二。三分之一体积可引导并储存在一个或多个阴极电解质储罐142中，而三分之二体积可引导并储存在一个或多个单独的阳极电解质储罐144中。为了描述简单化，本文假设有一个阴极电解质储罐和一个阳极电解质储罐。在多个实施方案中，两个罐142、144可以具有不同的容积，或者可以具有相同的容积，并且这些容积可以以不同的容积比使用。阴极电解质罐142和阳极电解质罐144可以分别流体连接到电化学镀电池132的阴极室134和阳极室138。
镀电池132可以包括具有阴极136的阴极室134、膜150和具有阳极140的阳极室138。两个电极136、140通过膜150隔开，所述膜150可以是PEM、AEM或微孔隔件。电化学电池或电池堆的典型附加组件可包括集流器、双极板、流体通道、端板等，这取决于所选择的镀电池配置。本文其他地方描述了示例性镀电池配置，但是可以使用任何镀电池配置。
如图4所示，镀电池132可以配置为在阴极136处镀金属铁，同时将Fe2+离子的一部分氧化成Fe3+离子。在这种配置中，通过使用非常低成本的碳或石墨阳极材料来避免析氧阳极的成本。
当向镀电池施加电流时，根据下式通过还原亚铁离子将铁金属镀在阴极上：
Fe2++2e→Fe (反应式14)
同时，根据下式，亚铁溶液的阳极电解质流可以在镀电池的阳极上氧化成三价铁：
2Fe2+→2Fe3++2e (反应式15)
将(反应式14)和(反应式15)相结合，得到总的镀电池反应：
3Fe2+→2Fe3++Fe (反应式16)
电镀铁反应中，每个亚铁(Fe2+)离子需要两个电子，而亚铁氧化成三价铁(Fe3+)时，每个离子只需要一个电子。为了实现电荷平衡，镀电池132的阳极侧138需要两倍于阴极侧134的亚铁离子。这是将进入镀子系统的亚铁溶液分成来自酸再生电池104的初始亚铁溶液的1/3(阴极电解质)和2/3(阳极电解质)部分的原因。这意味着阳极电解质通过镀电池132的阳极侧138的流速可以是阴极电解质通过阴极侧134的流速的两倍。在一些实施方案中，阳极电解质流速可以超过阴极电解质流速的两倍。在一些实施方案中，阳极电解质流速可以小于阴极电解质流速的两倍。
在一些实施方案中，进入镀子系统130的亚铁溶液可以以不同比例分成阳极电解质部分和阴极电解质部分，这取决于一个或两个电极的效率、总铁浓度或其他因素。因此，在多个实施方案中，进入镀子系统的亚铁溶液可分成阴极电解质部分和阳极电解质部分，阴极电解质/阳极电解质的比率为约90％/10％至约20％/80％，任选地为70％/30％至约30％/70％，且在一些具体实施方案中，阴极电解质/阳极电解质的比率可包括80％/20％、70％/30％、75％/25％、70％/30％、65％/45％、60％/40％、65％/35％、50％/50％、45％/65％、40％/60％、35％/65％、33％/67％、30％/70％、25％/75％、20％/80％(所有值可能有+/-3％的变化)。
镀阳极电解质和镀阴极电解质可以在它们各自的罐144、142和在镀电池132中的它们各自的半电池室138、134之间再循环任意数量的镀循环(其中一个镀循环包括完全替换镀电池中一定体积的阳极电解质和阴极电解质)。在一些实施方案中，当施加电流时，镀阳极电解质和镀阴极电解质的流体循环可以是连续的。
在一些实施方案中，可在148处从阴极室134和/或阴极基底移除镀的铁，并且可将镀电解质再循环至溶解子系统102，以在进一步的溶解和酸再生操作中重新使用。在一些实施方案中，一旦已经以批量模式镀了期望量的铁，镀过程就可以完成。在其他实施方案中，可从镀阴极室134连续地移除镀的铁，且一旦反应物(例如，Fe2+)消耗超过所需点，可更换电解质。
在多个实施方案中，镀阴极半电池134可配置为以允许移除镀的铁材料的任何方式镀铁。在其他湿法冶金镀操作中使用了多种镀和金属移除方法，其中任何都可以适用于这种镀铁系统。
根据所选择的从阴极半电池镀和移除铁的方法，镀电池可以以批量模式运行，其中一旦已经镀了期望量的铁，就停止镀，从而可以移除铁。任选地，镀电池可以配置为使得镀以连续模式运行，铁连续地从阴极室移除。在一些实施方案中，连续的镀的铁的移除可类似于在一些常规锌和铜电解沉积系统中使用的配置。
例如，铁可以作为板或片镀在固体金属或石墨基底(例如，钢、铜、铅、锌、镍或涂有或镀有一种或多种这些或其他金属或它们的合金的其他材料)上。在多个实施方案中，镀阴极和/或基底136可从阴极室134移除，或可配置为以使得可从阴极室134移除铁而不移除阴极136或基底。在一些实施方案中，基底可以从阴极移除。在一些实施方案中，这种基底可以基本上是平的，并且可以通过凿、撬、刮、弯或以其他方式将平的铁板从该基底分离从而以批量模式移除镀的铁。在其他实施方案中，基底可以是圆柱形的，并且可以通过抵靠将镀的铁分离为连续的片、线、带或其他材料的一个或多个刀具旋转圆柱来连续地移除镀的铁。仍在其他实施方案中，铁可以镀到穿过镀电池阴极的连续带上，并且铁可以在阴极室外部的位置处从该带上分离。在其他实施方案中，铁可以被镀在晶种颗粒上，晶种颗粒的尺寸可以以颗粒生长的方式增大，并且颗粒可以通过任何合适的分离机制从阴极室中移除。也可以使用多种其他镀铁和移除工艺。
在多个实施方案中，可基于镀铁的质量、测量的镀阴极电解质中亚铁离子的剩余浓度、电池电压或其他度量来确定镀的结束。例如，在一些实施方案中，当达到约1mm至约10mm的目标厚度时，镀循环可以完成。
一旦镀阳极电解质和镀阴极电解质的反应物(即亚铁)基本上耗尽，电解质可以引导到另一个过程。在一些实施方案中，阴极电解质可以具有的亚铁含量比初始低，并且阳极电解质可以主要具有三价铁而不是亚铁物质。在一些实施方案中，废阳极电解质和废阴极电解质可合并并引导回溶解子系统的溶解罐或酸再生电池104，以在新的溶解循环中重新使用。
在一些实施方案中，可能需要在镀过程中在镀阴极电解质中维持至少最小的Fe2+离子浓度。实验表明，当镀阴极电解质的亚铁浓度低于约0.25M时，镀电池的效率和镀质量会降低。因此，在一些实施方案中，可能期望在整个镀过程中保持至少0.25M或更高的亚铁浓度。
为了有效地保持最小亚铁浓度并最佳地使用电解质，可以使用另一种方法来建立用于镀子系统的阳极电解质和阴极电解质体积。例如，为了保持镀阴极电解质中的最小亚铁浓度，当阴极电解质亚铁浓度下降到低点(例如，如通过光学、光谱或其他方法测量的)或当镀电池电压上升到设定点以上(例如，在多个实施方案中，在约2.4V、2.5V、2.6V、2.7V、2.8V、2.9V或3V以上)时停止镀，然后在新的镀过程中使用“废”阴极电解质作为阳极电解质可能是有益的。
图13A示出了实验性镀电池1300，其包括压缩端板1302和1314、集流板1304、1312、支撑阳极1318和阴极1320的电极承载板1306和1310，以及间隙1316，其中镀的铁可以膨胀到该间隙中。隔件1308将含阳极的室与含阴极的室分开。
图5A和图5B示出了储存和使用镀阳极电解质和镀阴极电解质溶液的实施方案，其可有利地有助于在镀阴极电解质中保持至少最小的亚铁浓度，同时产生富三价铁溶液以在镀完成时返回到溶解子系统。图5A示出了过程500，其中，在溶解过程502结束后(以及任选地在执行“辅助铁”步骤后)，100％的富铁溶液可引导至镀阴极电解质罐，同时镀阳极电解质罐包括在框510处来自先前镀循环的“废”阴极电解质。然后可以进行镀过程，从阴极电解质中镀铁，并在阳极电解质中将亚铁氧化成三价铁。在镀过程结束506时，废阳极电解质可在508处返回到溶解子系统，并且废阴极电解质可在510处引导至镀阳极电解质罐以用于下一个镀循环。在多个实施方案中，“将废阴极电解质引导至阳极电解质罐”可包括实际上将废阴极电解质移动至单独的罐，或仅改变控制(例如，阀、泵等)以将含有废阴极电解质的罐指定为新的阳极电解质罐。
图5B示出了替代过程550，其中，在溶解循环结束552后(并且任选地在执行“辅助铁”步骤后)，来自溶解子系统的富铁溶液可以在554处分成大约1/3的阴极电解质和2/3的阳极电解的量，并且镀可以如上所述进行。在镀结束556时，废镀阳极电解质(其主要包含三价铁)可在558处引导回到溶解子系统的酸再生器，并且废镀阴极电解质可在框560处在溶解子系统中的溶解过程接近结束时引导至赤铁矿溶解步骤。在实施方案中，例如，将阳极电解质和阴极电解质合并在一起，并且将合并的溶液的至少一部分送至溶解子系统/酸再生电池。
在一些实施方案中，溶解子系统或镀子系统中的电解质和溶液可包含溶解的铁物质、酸和额外的用作支持电解质以增强电解质导电性的惰性盐，这在低亚铁浓度下可能特别有益。支持盐可以包括任何电化学惰性盐，例如氯化钠、氯化钾、氯化铵、硫酸钠、硫酸钾、硫酸铵等，或盐的组合。如果使用的话，溶液中支持盐的浓度范围可以为约0.1至约1M。
在多个实施方案中，镀电池的亚铁氧化阳极可以是任何基于碳或石墨的电极，例如碳/石墨毡、纸或布，或任何在三价铁/亚铁盐环境中稳定的电极材料。镀电池的阴极，即镀电极，可以是任何适于电镀的导电基底，包括但不限于片、板、网等，并且可以由包括碳、石墨、钢、不锈钢、铜、锌、钛或合金或这些或其他材料的其他组合的任何材料制成。此外，所述基底可以包括多层结构，其中核心由一种类型的材料(例如金属)制成以用于结构目的，且表面由另一种类型的材料制成以用于与镀过程和/或酸性溶液兼容。这种多层结构的实例包括包铜或包铝钢或不锈钢、铜镀钢或不锈钢或其他多层材料。
图19示出了通过实验确定的酸再生电池104的电流密度(以mA/cm2测量)和电池电压之间的关系。图20示出了通过实验确定的镀铁电池的电流密度(以mA/cm2测量的)和电池电压之间的关系。可以看出，在达到镀电池在低得多的电流密度下达到的电池电压之前，酸再生电池可以在高得多的电流密度下运行。酸再生电池中的水分解反应通常也可能使用更昂贵的催化剂，导致这种电池的资本支出增加。这些因素表明，在较高的电流密度下运行酸再生电池以从更昂贵的电池中获得价值可能更具成本效益。另一方面，镀铁反应最好在相对低的电流密度下进行，以获得具有所需性质的镀的铁。因为镀铁电池通常也使用较便宜的电极，所以在较低的电流密度下运行镀电池在经济上更可行。在多个实施方案中，施加到镀电池的电流密度可以在约20至300mA/cm2的范围中。
在多个实施方案中，镀阴极电解质罐和电镀阳极电解质罐可保持在40至80℃的温度，并且镀电池可在类似的温度范围中运行。
参考附图可以理解，原料溶解和酸再生步骤与镀铁(沉积)步骤的分离以很少或没有理论成本提供了实质性的优点，因为这两个过程一起基本上消耗了与上述一步铁转化过程相同的总理论能量。与此相关的是，溶解罐与镀阳极电解质罐和镀阴极电解质罐的分离可为管理两种过程的不同反应速率提供更多的优势。
在多个实施方案中，镀铁电池可有利地在约20mA/cm2至约500mA/cm2、任选地20mA/cm2至约200mA/cm2和任选地20mA/cm2至约100mA/cm2的电流密度下运行，并且在一些实施方案中在约50mA/cm2至约300mA/cm2、任选地50mA/cm2至约200mA/cm2和任选地50mA/cm2至约100mA/cm2的电流密度下运行，并且在一些实施方案中在约75mA/cm2至250mA/cm2、任选地75mA/cm2至约200mA/cm2和任选地75mA/cm2至约100mA/cm2的电流密度下运行。在实施方案中，镀铁电池可在小于或等于500mA/cm2、任选地小于或等于400mA/cm2、任选地小于或等于300mA/cm2、任选地小于或等于200mA/cm2、任选地小于或等于100mA/cm2的电流密度下运行。在一些实施方案中，镀电流密度在镀运行过程中可根据工艺条件和/或电力的可用性变化。
铁原料的助溶预处理
图9提供了根据一些实施方案的铁转化系统100的非常高级的示意图。图9的图显示了预处理部分920、包括溶解部分908的溶解子系统102、酸再生部分910(它们中的每一个都在上文描述过)、以及可以从中移除铁922的镀部分130。氧可从酸再生部分910中析出，氢可从镀部分130和/或酸再生部分910和镀部分130之间的杂质处理部分918中析出。析出的氢可以返回到预处理部分920，以用于一些预处理。预处理部分920和溶解子系统102之间的额外的杂质移除步骤(例如，移除固体杂质、有机杂质、未溶解的固体或其他杂质)914和916。如图9所示，例如，针铁矿和赤铁矿可热还原成磁铁矿，任选地，其中还原剂是镀过程中析出的H2气体。如图9所示，例如，杂质可以在工艺的多个阶段例如在溶解子系统中(例如，在溶解和酸再生器(第一电化学电池)之间)和/或例如在溶解子系统和镀铁子系统之间移除。
如图所示，在溶解子系统102之前，铁原料和特别是一些铁矿石可以经处理或改性以促进溶解。在一些实施方案中，针铁矿矿石902可以转化为赤铁矿矿石904，赤铁矿矿石904可以转化为磁铁矿矿石906。在其他实施方案中，矿石的一些部分可以以针铁矿或赤铁矿的形式保存。
铁原料可以含有许多可能形式中的一种或多种的铁或铁氧化物，包括钢、与其他金属和非金属混合的废钢(或废铁)、多种纯度的金属铁、或铁氧化物(包括氢氧化物和羟基氧化物)。然而，一些含铁矿石中通常存在的铁氧化物溶解得相对较慢。以下段落涉及含铁矿石溶解的改进。
不同的铁氧化物具有不同的溶解动力学。例如，磁铁矿(Fe3O4，其包含Fe3+和Fe2+两者)比仅包含Fe3+的氧化物如赤铁矿(Fe2O3)和针铁矿(FeO(OH))更容易溶解。例如，赤铁矿和磁铁矿之间的溶解动力学差异可高达40倍。许多商业上可获得的和经济上可行的铁矿石含有大量的赤铁矿和/或针铁矿。本文任选的实施方案包括将含铁矿石中的至少一部分铁氧化物如赤铁矿和/或针铁矿转化为磁铁矿，以利于更快的溶解。向磁铁矿的转化还可以提供允许在酸中溶解之前将含磁铁矿的材料与磁性较低形式的铁进行磁分离的优点。加工原料矿石以将某些铁氧化物转化为磁铁矿是任选的方面，这对于一些应用可能是有利的，但对于本文公开的方法的操作并不是必需的。
在其他情况下，已经发现，仅仅将一些赤铁矿矿石或针铁矿矿石加热到足够的温度，即使在空气气氛中(即，“空气焙烧”)，也可以引起矿石结构的足够的形态变化以允许那些“经焙烧”的矿石在可接受的时间范围(例如，约24小时+/-6小时)内发生酸溶解，特别是在溶解与如本文所述的酸再生电池104结合时。在一些情况下，当将溶解与酸再生电池104结合时，即使是完全未处理的“原”矿石，也可以在可接受的时间范围内溶解。
如图21A、图21B和图21C所示的X射线衍射图所示，针铁矿可以通过在空气中于约200℃至600℃的温度焙烧而转化为赤铁矿，并且赤铁矿可以在氢中于300℃至600℃的温度热还原为磁铁矿。
在多个实施方案中，“空气焙烧”可以通过在空气气氛中将矿石加热到约200℃至600℃的温度并持续约1分钟至约1小时来进行。在一些具体实施方案中，空气焙烧可包括将矿石加热至约200℃至约400℃的温度。在多个实施方案中，矿石的空气焙烧可包括从起始温度(例如，环境温度或室温)达到目标温度的升温时间。在一些实施方案中，当矿石材料达到第一目标温度时，空气焙烧的持续时间可以开始。
在多个实施方案中，“热还原”可以通过在还原性气氛中将矿石加热至约300℃至600℃的温度并持续约1分钟至约5小时来进行，这取决于所需的还原程度和待还原材料的形态。在一些实施方案中，还原性气氛可包括约1％至约10％的氢气(或其他还原性气体)和余量的惰性气体如氮气、氩气或其他惰性气体的气体混合物。在一些实施方案中，可以使用氢含量高得多甚至接近100％ H2的气体混合物。在一些实施方案中，热还原气氛也可进行加湿处理以包含约5％至约10％的水蒸气。
在一些具体的实施方案中，热还原可以包括将矿石保持在约300℃至约500℃的温度，在一些具体实施方案中，保持在约375℃、400℃、425℃、450℃、500℃、525℃、550℃或更高的温度。在多个实施方案中，当热还原矿石时，矿石可在升温时间期间暴露于空气(或其他非还原性)气氛中，直到达到目标温度，以便保存在达到目标温度之前可能无效的氢气。在一些实施方案中，当矿石材料达到第一目标温度时，热还原的持续时间可以开始。
在一些实施方案中，可能希望在完全还原成铁金属之前停止铁矿石的热还原，例如通过移除矿石、降低温度或保持足够的湿度水平以防止还原成铁金属。在其他实施方案中，在进行溶解步骤之前，可以允许一部分矿石还原成铁金属。
可以使用还原剂如氢、一氧化碳、合成气等将赤铁矿还原成磁铁矿。这可以用于许多不同的目的，特别是用于使用磁分离的铁精选。本文预期诸如电镀的制铁过程可涉及生成还原剂例如氢，任选地作为副反应(例如，通过寄生反应或在镀铁过程中)或作为中间过程步骤(例如，如本文所述的“辅助铁处理”步骤)的直接结果。
还原剂，例如由寄生反应或偶然反应产生的氢，可以捕获并用于将矿石中的铁氧化物例如赤铁矿和针铁矿还原成磁铁矿，而不是浪费掉。结果，在不同的过程中生成作为副产物的还原剂(例如，来自电镀或其他过程的氢)而“浪费”的一些能量可以因此得到回收，同时还原的矿石变得更容易溶解。
通常，根据某些实施方案，至少一部分还原剂例如H2，可以是制铁过程的任何部分、步骤或反应的产物。
根据某些实施方案，还原剂例如H2，可以在电镀铁过程或其电化学电池之前和/或之外生成。H2的生成可能发生在电镀过程期间，当例如pH低时(例如，递送到电镀电池的输入流中有太多的残余酸)，这允许了生成H2的副反应(或寄生反应)与电镀铁同时进行，导致电镀的法拉第效率降低。因此，当镀开始时，可能会生成大量的H2，直到pH增加到约2(或其他值，这取决于所使用的酸化学成分)。在一些实施方案中，镀电池或类似配置的抛光电池可以配置为允许收集和储存在此类运行过程中生成的氢气。
根据某些实施方案，本文公开的系统和方法可以包括上述方法的组合作为改善酸中铁溶解的解决方案。根据某些实施方案，本文公开的方法可以包括在制铁过程中使用副反应的产物(例如氢)或副产物，用于将含铁矿石中的非磁铁矿铁矿石或非磁铁矿铁氧化物化合物转化为磁铁矿，以增强溶解动力学。根据某些实施方案，本文公开的方法可以包括以下的组合：(i)将铁氧化物(例如，氧化物矿石)还原成磁铁矿与(ii)使用酸溶解所得材料(磁铁矿)。
根据某些实施方案，本文公开的方法可以包括是含铁矿石(例如，矿石、铁矿石、岩石、沉积物、矿物)的起始材料。根据某些实施方案，本文公开的方法可以包括作为整个制铁过程中另一个反应步骤的副产物的还原剂(用于将非磁铁矿铁氧化物转化为磁铁矿)。根据某些实施方案，本文公开的方法可以包括从内部来源(例如，来自整个制铁过程的副产物)和外部来源(包括氢储存器、提供氢气的天然气重整系统或水电解器)的组合生成还原剂(用于将非磁铁矿铁氧化物转化为磁铁矿)。根据某些实施方案，本文公开的方法可以包括是氢、一氧化碳、天然气、合成气或其组合的还原剂(用于将非磁铁矿铁氧化物转化为磁铁矿)。根据某些实施方案，本文公开的方法可以包括使用电化学镀反应的副产物来驱动不同的反应，例如使用氢副产物来还原铁氧化物。副产物可以直接在镀电池中生成，或者在镀电池之前在单独的反应器中生成，其具有类似的氢气净产量。
根据某些实施方案，本文包括的是一种用于溶解具有一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料的含铁铁矿石的方法，所述方法包括：将铁矿石在200℃至600℃的温度下暴露于还原剂，并将该矿石中的至少一部分铁氧化物转化为磁铁矿，从而形成经加工的矿石，以及使用酸溶解经加工的矿石以形成铁盐溶液。任选地，还原剂是制铁过程中另一个反应的副产物。
在多个实施方案中，本文的系统和方法可配置为溶解大量经不同加工的含铁矿石材料，以便在可接受的持续时间内(例如，在约24或30小时内)实现期望的目标溶解铁浓度。总的来说，如本文所述，在亚铁离子存在下和在酸再生器产生的足够的酸存在下，发现铁氧化物的溶解显著改善。尽管如此，将赤铁矿矿石还原成磁铁矿显示出在任何环境中显著提高的溶解速率和完成度。
如图10所示，溶解子系统1000可包括与多个含矿石溶解罐1010、1012、1014(或在其他实施方案中更多或更少)连接的酸再生器104。如图所示，每个罐可以含有经不同加工的矿石材料。例如，第一罐1010可以含有未经热预处理的“原”矿石。这种原矿石可能含有针铁矿和/或其他矿石类型。第二罐1012可以含有如上所述的已经“经焙烧”的矿石，例如空气焙烧，并且可以含有赤铁矿和/或其他矿石类型。第三罐1014可以含有如上所述的热还原矿石，并且可以含有大量的磁铁矿和其他矿石类型。
如上所述和如图7C(其显示了经不同加工的矿石在过量硫酸中的溶解时间)所示，经还原的矿石溶解得非常快，在数小时内就达到了完全溶解，而经焙烧的矿石则溶解得慢得多，尽管溶解速率可以通过提高温度和/或溶液中亚铁离子的量而有所提高。虽然没有示出，但原矿石要比经焙烧的矿石溶解得更慢。
相关地，在图7B中，迹线708示出了在0.1M硫酸中的磁铁矿的溶解，并与在0.1M硫酸中的赤铁矿的溶解706、在0.3M硫酸中的赤铁矿的溶解704和在0.5M硫酸中的赤铁矿的溶解702进行比较。
图10的系统示出了若干种可能的可用于选择性地将酸增强的溶解溶液从酸再生器104引导至一个或多个溶解罐1010、1012、1014的过程。出于解释的目的，将描述一种过程，在该过程中，酸性溶液将在酸再生器104和一个或多个罐1010、1012、1014之间再循环十(10)个循环，其中每个循环均始自酸再生器104的出口。虽然在这个实施例中描述了10个循环，但是可以使用任何数量的循环，这取决于具体实施的多个细节。在其他情况下，“循环”可以简单地表示溶液与每种矿石类型接触的相对时间段，并且可以使用不同布置的罐、液体导管、阀门等。例如，代替液体流向的改变，可以将单个溶解罐中的固体含量改变为大致对应于下述实施方案中描述的循环次数的不同的时间量。
在第一组的10个循环期间，可以通过打开阀1030将酸性溶液引导至原矿石罐1010。通过打开阀1022，离开原矿石罐1010的酸性溶液可以返回到酸再生电池104。在第二组的10个循环期间，可通过打开阀1032将酸性溶液引导至经焙烧矿石罐1012。离开经焙烧矿石罐1012的酸性溶液可以通过打开阀1024返回到酸再生电池104中。在一些实施方案中，在第三组的10个循环期间，可通过打开阀1034将酸性溶液引导至还原矿石罐1014。离开经焙烧矿石罐1014的酸性溶液可以通过打开阀1026返回到酸再生电池104，或者可以通过打开阀1028替代地(或另外地)引导至下游工艺1016(例如，杂质移除、辅助铁处理、镀等)。
因此，通过改变通过每个溶解罐的“循环”次数，酸性溶液可以与经不同加工的矿石接触不同的时间。在多个实施方案中，酸性溶液可以与原矿石1010接触0至9个循环，与经焙烧矿石1012接触0至9个循环，与还原矿石1014接触1至10个循环。通常希望在将溶液引导至下游工艺步骤1016之前，使酸性溶液与还原矿石1014接触至少最后一个循环。因为还原矿石的溶解进行得相对较快，用还原矿石完成溶解过程可用于消耗一些剩余的酸，进一步简化了下游步骤，如本文其他地方所述。
可以使用下表1中的任何的循环组合(或成比例的停留时间)：
表1：不同处理的铁矿石的溶解方案每种矿石处理类型的酸“循环”次数
| 原 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 经焙烧 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 经还原 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 |
在一些方面，一种方法可以包括：将铁原料溶解在酸中；通过如下过程产生金属铁：在电化学电池的阳极处从水中析出氧气，同时在电化学电池的阴极处或在处理步骤过程中从三价铁的铁溶液中电镀金属铁，以及在电化学电池的阴极处的副反应中析出氢，收集氢，将氢转移到反应室，并用氢热还原反应室中的铁原料。
在一些方面，一种方法可以包括：在溶解罐中将铁原料溶解在酸的水溶液中；将溶液从溶解罐循环至酸再生电池；在酸再生电池的阴极处将溶液中的三价铁离子转化为亚铁离子，同时在酸再生电池的阳极处从水中析出氧；将溶液的第一部分(阳极电解质)转移到镀铁系统的阳极电解质罐中；将溶液的第二部分(阴极电解质)转移到镀铁系统的阴极电解质罐中，任选地包括移除杂质和产生H2的处理步骤；使阳极电解质和阴极电解质在它们各自的罐和镀铁电池之间循环；在镀电池的阳极处将阳极电解质中的亚铁的铁氧化成三价铁的铁，同时在镀电池的阴极处从阴极电解质中的亚铁的铁电镀金属铁，并且在电镀过程中同时在阴极处析出寄生的氢，和/或任选地使用该处理步骤生成的H2移除杂质并产生H2；收集氢并将氢转移至反应室，用氢热还原反应室中的铁原料。
在一些方面，一种方法可以包括：通过将酸性水溶液与金属铁混合来产生氢，收集氢，将氢转移到反应室，以及用氢热还原反应室中的铁原料。
在一些方面，一种方法可以包括：将酸性的亚铁的铁水溶液与金属铁混合，将酸性的亚铁的铁水溶液中的残余三价铁离子转化为亚铁离子，同时从残余酸与金属铁的反应中产生氢，收集氢，将氢转移至反应室，以及用氢热还原反应室中的铁原料。
在一些方面，本文公开的实施方案包括：一种用于在酸性溶液中溶解铁氧化物材料的方法，所述方法包括：提供包含铁氧化物材料的原料；提供溶解罐；提供具有阴极、膜和阳极的电化学电池；使用酸性溶液在溶解罐中溶解原料，其中溶解将Fe3+释放到酸性溶液中；以及在溶解罐和电化学电池的阴极之间循环酸性溶液，以将Fe3+电化学还原为Fe2+，并同时生成质子，其中循环步骤包括将包含酸和Fe2+离子的经还原和酸化的溶液返回到溶解罐，以溶解更多的铁氧化物材料。
实施例：矿石预处理和溶解
该实施例提供了加工矿石以增加含铁矿石中磁铁矿含量的方法的某些示例性和任选的实施方案。加工原料矿石以将某些铁氧化物转化为磁铁矿是任选的方面，这对于一些应用可能是有利的，但对于本文公开的用于生产高纯度铁的方法的操作则并不是必需的。
在一个方面，用于加工具有一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料的含铁矿石的方法包括：加工含铁矿石以形成经加工矿石，加工步骤包括：将含铁矿石的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料在选自200℃至600℃的温度下暴露于还原剂，以将一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料的至少一部分转化为磁铁矿，从而形成经加工矿石；以及使用酸性溶液溶解磁铁矿的至少一部分以形成铁盐溶液；其中还原剂至少部分地是以下的产物：电化学过程、制铁过程、涉及铁作为试剂的化学反应和/或金属和酸之间的化学反应。
任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，至少一部分还原剂是制铁过程中的电化学反应和/或化学反应的产物。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，至少一部分还原剂是电镀铁过程的产物。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，至少一部分还原剂是电化学生成的H2。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，至少一部分还原剂是化学生成的H2。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，至少一部分还原剂是通过水电解生成的H2。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，至少一部分还原剂是由金属如铁和酸之间的反应生成的H2。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，至少一部分还原剂是H2，电化学生成的H2和金属与酸之间的化学反应产物的组合。
还原剂可以来自作为用于加工含铁矿石的方法的一部分的过程和/或来自单独的方法。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，该方法包括制铁过程。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，该方法包括电镀铁金属，收集在电镀步骤过程中产生的还原剂，以及将该还原剂提供给加工步骤。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，该方法包括电化学过程、制铁过程、涉及铁作为试剂的化学反应和/或金属和酸之间的化学反应。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，该方法包括制备电化学生成的H2的过程。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，该方法包括通过金属如铁和酸之间的反应制备H2的过程。
任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，还原剂包括H2、CO、天然气、合成气或其任意组合。
任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，该方法包括在加工和溶解步骤之间，从经加工矿石中提取至少一部分磁铁矿。
在一些实施方案中，在首先进行暴露步骤之后，非磁铁矿铁氧化物向磁铁矿的转化可能是不完全的，导致一些量的未转化的非磁铁矿铁氧化物，然后它们可以进一步加工。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，经加工矿石包含未转化的非磁铁矿铁氧化物材料；并且其中该方法进一步包括：从经加工矿石的磁铁矿中分离至少一部分未转化的非磁铁矿铁氧化物材料；以及将分离出的未转化的非磁铁矿铁氧化物材料循环回加工步骤，以将未转化的非磁铁矿铁氧化物材料转化为磁铁矿。任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，溶解步骤包括将经加工矿石暴露于酸性溶液中；其中至少一部分暴露的经加工矿石不溶于酸性溶液中；其中经加工矿石的未溶解部分包含未转化的非磁铁矿铁氧化物材料；并且其中该方法进一步包括：将未转化的非磁铁矿铁氧化物材料循环回加工步骤，以将未转化的非磁铁矿铁氧化物材料转化为磁铁矿。
任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料包括赤铁矿和/或针铁矿。
任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，酸性溶液(用于溶解至少一部分磁铁矿)包括盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、柠檬酸、草酸、硼酸或其任意组合。
任选地，在用于加工含铁矿石的方法中，铁盐溶液包含水性Fe2+和/或Fe3+离子。
在另一方面，一种用于加工具有一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料的含铁矿石的方法包括：加工含铁矿石以形成经加工矿石，加工步骤包括：将含铁矿石的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料在选自200℃至600℃的温度下暴露于还原剂，以将一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料的至少一部分转化为磁铁矿，从而形成经加工矿石；以及使用酸性溶液溶解至少一部分磁铁矿以形成铁盐溶液。
增强溶解的添加剂物质
可以使用硫酸盐和氯化物的混合溶液，例如通过使用硫酸和盐酸的混合物。在一些实施方案中，这种混合物可以通过将氯化物盐混合到硫酸溶液中，或者通过将硫酸盐混合到盐酸溶液中来产生。在其他实施方案中，其他酸混合物可用于溶解铁矿石材料。
酸化学成分选择
在多个实施方案中，本文所述的系统和方法可与用于溶解铁原料材料的任何酸一起使用，和/或作为用于镀铁的亚铁溶液的基础。合适的酸可包括但不限于盐酸、硫酸、磷酸、硝酸、乙酸、草酸、柠檬酸、硼酸、甲磺酸或其任意组合。参考本说明书和附图将会理解，酸化学成分的选择可以提供多种优点和权衡。具体的酸化学成分的选择可以基于这些或其他技术和/或经济因素等。表2列出了多种选择考虑因素。
表2：酸化学成分选择依据
在一些实施方案中，除了本文所述的酸和溶解物质之外，用于酸再生电池(阳极电解质和/或阴极电解质)或镀电池(阳极电解质和/或阴极电解质)的电解质或酸性溶液还可包括支持盐或其他添加剂。例如，任何上述电解质溶液中的支持盐可包括硫酸钠、硫酸钾、硫酸铵、氯化钠、氯化钾、氯化铵或其他，或其任意组合。
在一些实施方案中，镀电池阴极电解质可包括一种或多种配置为提高镀效率的添加剂，例如用于pH缓冲的弱酸，包括柠檬酸、硼酸和/或表面活性剂，包括低发泡非离子表面活性剂例如Hopax EN 16-80、EA15-90和电镀工业中使用的典型添加剂。
总体流程实施例
图4、图6和图9提供了多种本文所述的铁转化工艺的实施例的示意图。
图11示出了用于将铁原料转化成纯铁的同时再循环工艺溶液的完整工艺1100的实例，包括多个任选的中间步骤。在1102处，工艺1100可以任选地包括将原料材料研磨至期望的粒度。在1104处，该工艺可包括热处理，所述热处理可包括在氢(例如，包括在工艺1100中的一个或多个工艺步骤中产生的氢)存在下空气焙烧和/或热还原铁原料材料。如果原料适于直接溶解而无需这种加工，任选地可以省略热处理步骤1104。在1106处，可以将原料加入到连接到酸再生器的溶解罐中。在1108处，可以将原料用酸再生器产生的酸和亚铁的铁溶液在溶解罐中溶解。在铁浓度达到期望值后，在1110处，溶解罐中的新的亚铁的铁溶液可以用铁处理(例如，如本文其他地方所述的“辅助铁”处理)以增加pH，并进一步将任何剩余的三价铁的铁转化为亚铁的铁。在1112处，可将亚铁的铁溶液转移到与镀电池相关联的阴极电解质罐和阳极电解质罐中。在1114处，可运行镀电池以镀金属铁，同时在阳极电解质中产生三价铁的铁。在1115处，可以从电池中移除沉积的金属铁，例如通过移除阴极。在1116处，镀三价铁阳极电解质溶液可从镀系统返回到酸再生器系统的溶解罐中，在此它可在1106处的原料添加到随后的循环中的溶解罐之前再循环以产生至少一些亚铁的铁。在一些实施方案中，在1120处，可以任选地将支持盐加入到电解质中。或者，可以在工艺中的任何其他点将支持盐加入到电解质中(例如，加入到电解质中或与原料一起加入)。在一些实施方案中，例如，由于支持盐在该工艺中可能不消耗(或显著消耗)，因此并不是在每个循环都添加支持盐。
在一些方面，本文公开的实施方案包括：一种由铁氧化物原料生产高纯度铁的方法，该方法包括两个子系统，包括溶解子系统，其配置用于通过以下步骤形成含有亚铁盐的溶液(“亚铁转移溶液”)：提供溶解罐；提供具有阴极、膜和阳极的第一电化学电池(例如，酸再生电池)；将溶解罐中的原料溶解在酸性溶液中，其中溶解反应在消耗质子的同时将Fe3+释放到溶液中；并且将该溶液循环至第一电化学电池的阴极以将Fe3+转化为Fe2+，同时生成质子；其中循环步骤包括将经还原和酸化的包含酸和Fe2+离子的溶液返回到溶解罐中以溶解更多的铁氧化物材料；并且进一步包括镀铁子系统，其配置用于通过以下步骤由溶解子系统中产生的亚铁溶液生产金属铁：将来自溶解子系统的溶解罐的亚铁溶液分成两股流，以储存在两个单独的罐中，用于镀阳极电解质和镀阴极电解质；提供第二电化学电池(例如镀电池)；将溶液从阴极电解质罐循环到第二电化学电池的阴极，并将阳极电解质罐的阳极电解质循环到第二电化学电池的阳极，将Fe2+离子还原成镀在第二电化学电池的阴极的固体铁金属，同时在第二电化学电池的阳极处将Fe2+离子氧化成Fe3+；移除镀的铁金属；将含有Fe3+离子的三价铁溶液返回到溶解子系统的溶解罐或酸再生电池。
在一些进一步的方面，来自镀电池的阴极侧和阳极侧的阴极电解质和阳极电解质溶液可以任选地合并，以形成返回溶解子系统的返回三价铁溶液。在一些实施方案中，酸再生电池可以在将固体原料加入溶解罐之前运行一个或多个循环，从而允许产生足够的酸和亚铁(Fe2+)溶液以开始固体原料材料的溶解。
图18示意性地示出了配置为实施本文所述的用于生产铁的方法和系统的方面的化学工艺和化工厂的某些实施方案。例如，“酸再生器+Fe3还原剂”对应于本文所述的溶解子系统的某些方面。例如，“电镀Fe”对应于本文所述的镀铁子系统的某些方面。该示意图显示了溶解子系统和镀铁子系统之间的输入、输出和流通的多个实施方案。图18还示出了用于将水从酸再生器阴极电解质转移到酸再生器阳极电解质的示例性水管理系统，包括可替代的用于系统中收集的氢的用途(与收集的氧重新结合以形成水)。图18的系统还示出了在镀系统中使用氯化钠支持盐的一个实施例。
水性电铸铁的工业和市场用途
在多个实施方案中，通过本文所述的系统、方法和工艺电解生产的铁可用于许多商业目的，这些商业目的对于其他铁源来说通常不是经济可行的。
本文所述的多个实施方案与可用功率随时间波动的间歇性(例如，可再生)能源特别兼容，因为酸再生电池、镀电池和其他支持系统通常能够响应于变化的功率可用性而以更高或更低的功率驱动。因此，在一些实施方案中，供应到酸再生电池、镀电池或其他系统组件的电流可响应于所测量或传达(例如，经由任何智能电网或需求响应通信系统或协议)的可用或能用功率的减少或增加而变化。这种电流(或功率)的增加或减少通常可以在本文所述的电流密度范围内进行，但是在一些实施方案中可以在这些范围之外进行，包括选择性地切断至一个或多个电池、堆叠、子系统或整个系统的所有电源。
图22示出了用于生产生钢和生钢产物的工艺2200，该工艺使用由如本文所述的用于制造纯铁的系统或工艺的任何实施方案生产的铁。根据工艺2200，铁矿石可以在2202处基本上仅使用可再生的或零碳排放的能量(例如，风能、太阳能、潮汐能、地热能或核能)而转化为“生铁”。在2204处，如本文所述，可以将生铁从镀电池中移除。
在2206处，生铁可以熔化，优选地基本上仅使用可再生或零碳排放的能量(例如，风能、太阳能、潮汐能、地热能或核能)。在多个实施方案中，可以使用感应炉、微波、电弧炉或其他系统仅用电能来熔化铁。在一些实施方案中，可以使用传统的碱性氧气炉来熔化铁。
在2208处，熔化的铁可以与多种添加剂和合金材料混合，以便制造所需等级的熔化的钢。这种添加剂和/或合金元素的实例可以包括碳、铬、钼、钒、锰、镍、钴、硅、铅、硼、铝、铜、铈、铌、钛、钨、锡、锌、锆或其任意组合。
在2210处，熔化的钢可通过挤压、模制、铸造或其他熔化至固体的钢成形步骤形成为钢产物或产物前体。额外的制造步骤也可用于炼钢产物，包括轧制、锻造、焊接、冲压、机械加工等，或其任意组合。
由本文所述的系统、方法和工艺生产的纯铁基本上代表了一种能量载体(例如，一种形式的“金属性电(metallic electricity)”)，其可用于多种市场目的，例如制造可调度氢、季节性储存和金属燃料，以实现循环铁经济。
可调度氢是指现场和按需递送氢。在一些实施方案中，由本文的系统和方法生产的铁可递送到需要氢气的位置并与水(例如，在升高的温度下)或酸(其可由酸发生器现场产生，或以其他方式获得)反应。铁与酸的反应会在氧化铁的同时自发产生氢气。然后，氧化的铁可以返回并用作本文所述的铁转化工艺中的一个的原料。
通过本文所述的转化工艺生产的铁可用于制造一次(单次放电)或二次(可再充电)铁电极电池组(例如，镍-铁电池组、铁-空气电池组、全铁液流电池组或其他)，其可用于季节性储存(即，将可再生能源从高发电季节时移数周或数月至低发电季节，例如太阳能的夏季至冬季)或日常储存(即，将可再生能源从一天的高发电时间时移数小时至低发电时间，例如太阳能的中午至傍晚、晚上或早晨)
通过本文所述的转化工艺制成的铁可以制成足够小的颗粒，并作为固体燃料在炉(例如煤炉)中燃烧。铁的燃烧消耗氧形成铁氧化物(通常是赤铁矿)，但不会释放温室气体。
在任一上述应用中，在那些工艺中已经达到其使用寿命的“废”铁(通常在已经氧化成一种或多种氧化物形式之后)可以返回到例如本文所述的那些的铁转化工艺中，并转化回金属铁。
用于分离铁还原步骤的“氧化还原介体”框架
在本文的多个实施方案和实施例中，三价铁-亚铁还原与亚铁-铁还原的分离在理论上可以理解为使用“氧化还原介体”对，其在铁还原和氧析出之间起媒介作用，如以下反应式所示：
酸再生阳极：3/2H2O→3H++3/4O2+3e (反应式17a)
酸再生阴极：3Fe3++3e→3Fe2+ (反应式17c)
镀电池阳极：2Fe2+→2Fe3++2e (反应式18a)
镀电池阴极：Fe2++2e→Fe (反应式18c)
在镀电池阳极处的半反应(22a)正好是酸再生阴极上的半反应(21c)的逆反应。本质上，氧化还原对Fe3+/Fe2+起到氧化还原介体的作用，其能够将水氧化反应和Fe3+还原成Fe0分离到两个单独的电化学电池中，第一电池仅将三价铁还原成亚铁，而第二电池通过镀将亚铁还原成铁金属。以这种方式，Fe3+/Fe2+“梭子”的作用得到有利地利用和使用，除了提高总效率和对整个系统反应的控制之外，还产生了显著的实用和成本节约的益处。在许多优点中，该分离可允许在基本上不同的电流密度下运行酸再生电池和镀电池，鉴于两种电池的不同经济和运行特性，这可能是特别有利的。
虽然Fe3+/Fe2+对在上述实施方案和实施例中是作为“氧化还原介体”起作用，但是例如在图23中所示的一般氧化还原介体对可以描述为介于氧化介体(MO)和还原介体(MR)之间：具有1个电子的MO/MR的半反应为：
MR→MO+1e- (反应式19)
氧化还原介体对可用于将镀铁和水氧化反应分离成如下两个电池：
电池1：
阳极：H2O→1/2O2+2H++2e (反应式20)
阴极：2MO+2e-→2MR (反应式21)
总体：H2O+2MO→1/2O2+2H++2MR (反应式22)
电池2：
使用在第一电池中生成的还原介体MR：
阳极：2MR→2MO+2e- (反应式23)
阴极：Fe2++2e-→Fe (反应式24)
总体：Fe2++2MR→Fe+2MO (反应式25)
以这种方式，MO/MR对作为“氧化还原介体”起作用，以将铁原料溶解过程与镀铁过程分离，如图23所示。在多个实施方案中，其他氧化还原对可用于通过不同的电化学反应实现类似的功能分离。多种示例性替代氧化还原介体对可包括但不限于：Cu2+/Cu0、V5+/V4+、V3 +/V2+、Zn2+/Zn0、任何其他盐、任何有机氧化还原对如醌/氢醌、气体如H+/H2等。在一些实施方案中，金属氧化还原介体可以通过溶解提供给溶液，并且可以通过镀、溶剂提取或其他方法单独从溶液中提取。
本文预期了多个方面，其中若干个方面在下面的段落中进行阐述。明确预期的是，其任何方面或部分均可以组合以形成一个方面。此外，明确预期的是：对方面A1的任何引用包括对方面A1a、A1b、A1c和/或A1d的引用；对方面B1的任何引用包括对方面B1a、B1b、B1c和/或B1d的引用；对方面C1的任何引用包括对方面C1a和/或C1b的引用；并且对方面D1的任何引用包括对方面D1a和/或D1b的引用。此外，尽管将下面的方面细分为方面A、B、C和D，但是可以明确预期的是，每个细分A、B、C和D中的方面可以以任何方式组合。此外，术语“任一前述方面”表示出现在包含此类短语的方面之前的任何方面(换句话说，句子“方面B13：方面B8的方法或系统，或任一前述方面……”表示引用在方面B13之前的任何方面，包括方面B1-12和所有“A”方面，例如方面A1-A97)。例如，可以预期，任选地，任何以下方面的任何系统或方法可以与以下提供的任何其他方面一起使用或组合使用。此外，例如，预期上述任何实施方案可以任选地与下面列出的方面组合。
方面A1a：一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：
在还原剂存在下，热还原含铁矿石中的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料以形成磁铁矿，从而形成热还原矿石；以及
使用酸溶解所述热还原矿石的至少一部分以形成酸性铁盐溶液；
其中所述酸性铁盐溶液包含在电化学电池中电化学生成的质子。
方面A1b：一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：
在溶解罐中，使所述含铁矿石与酸接触以溶解所述含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
使所述酸性铁盐溶液的至少一部分在所述溶解罐和电化学电池的阴极室之间再循环，所述电化学电池包括在所述阴极室中在充当阴极电解质的所述酸性铁盐溶液的至少一部分存在下的阴极、在阳极电解质存在下的阳极、和将所述阴极电解质与所述阳极电解质分开的隔件；
在所述阴极处电化学还原来自所述阴极电解质的溶解的Fe3+离子的至少一部分，以在所述阴极电解质中形成Fe2+离子；以及
在所述电化学电池中电化学生成质子并将电化学生成的质子提供给所述阴极电解质；其中在所述含铁矿石存在下，所述溶解罐中的所述酸性铁盐溶液的特征在于游离质子的稳态浓度为至少0.2M(任选地，例如，至少0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4或5M，任选地，其中稳态游离质子浓度小于0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4、5或6M，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.2-6M)。
方面A1c：一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：
在还原剂存在下，热还原所述含铁矿石中的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料以形成磁铁矿，从而形成热还原矿石；
其中所述还原剂包括H2气体；以及
其中所述H2气体的至少一部分是通过铁金属与酸的反应化学生成的，和/或所述H2气体的至少一部分是通过电镀铁过程的寄生析氢反应电化学生成的；以及
使用酸性溶液溶解至少所述热还原矿石以形成铁盐溶液；
其中溶解步骤包括将形成的磁铁矿溶解在所述酸性溶液中。
方面A1d：一种用于加工和溶解含铁矿石的系统，所述系统包括：
第一溶解罐，用于使用第一酸溶解第一含铁矿石；其中：
所述第一矿石在所述第一酸中的溶解在所述第一溶解罐中形成包含溶解的Fe3+离子的第一酸性铁盐溶液；
电化学电池，其流体连接到所述第一溶解罐；其中：
所述电化学电池包括在阴极存在下具有阴极电解质的阴极室、在阳极存在下具有阳极电解质的阳极室、和将所述阴极电解质与所述阳极电解质分开的隔件；以及
第一循环子系统，其将所述第一酸性铁盐溶液的至少一部分从所述第一溶解罐循环至所述阴极室，并将所述阴极电解质的至少一部分从所述电化学电池循环至所述第一溶解罐；
其中在所述阴极处将来自所述第一酸性铁盐溶液的Fe3+离子的至少一部分电化学还原成所述阴极电解质中的Fe2+离子，从而消耗来自所述第一酸性铁盐溶液的Fe3+离子。
方面A2：任一前述方面的方法或系统，包括在所述溶解步骤过程中将来自所述电化学电池的具有所述电化学生成的质子的阴极电解质的至少一部分提供给所述酸性铁盐溶液，从而在所述热还原矿石存在下将所述电化学生成的质子提供给所述酸性铁盐溶液。
方面A3：方面A2或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解步骤在溶解罐中进行；其中所述溶解罐和所述电化学电池是流体连接的；并且其中所述酸性铁盐溶液在所述溶解罐和所述电化学电池之间循环。
方面A4：方面A3或任一前述方面的方法或系统，其中在所述溶解步骤的至少一部分的过程中，所有的所述酸性铁盐溶液在所述溶解罐和所述电化学电池之间循环。
方面A5：方面A2-A4中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在所述溶解过程中，所述热还原矿石和所述酸性铁盐溶液之间的反应生成水，从而消耗所述酸性铁盐溶液中的质子；并且其中所提供的电化学生成的质子替换所述酸性铁盐溶液中消耗的质子的至少一部分。
方面A6：方面A2-A5中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在所述溶解步骤的至少一部分的过程中，所述电化学生成的质子连续地提供给所述酸性铁盐溶液。
方面A7：方面A2-A6中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述酸性铁盐溶液的特征在于在所述热还原矿石的溶解过程中游离质子的稳态浓度为至少0.2M(例如，至少0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4或5M，任选地其中所述稳态游离质子浓度小于0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4、5或6M，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.2-6M)。
方面A8：方面A7或任一前述方面的方法或系统，其中所述酸性铁盐溶液的特征在于游离质子的稳态浓度选自0.2M至3M(例如，0.4-2.8M、0.6-2.6M、0.8-2.2M、1-2M、1.2-1.8M、0.2-0.8M、0.8-1.4M、1.4-2M、2-2.5M或2.5-3M)的范围。
方面A9：方面A7或A8或任一前述方面的方法或系统，其中所述酸性铁盐溶液的特征在于稳态pH小于0.7(例如，小于：0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0、-0.1、-0.5或-1，任选地其中所述稳态pH为至少0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0、-0.1、-0.5或-1，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如-1至0.7)。
方面A10：前述方面中任一项的方法或系统，包括在相同或不同的电化学电池中通过将所述酸性铁盐溶液中的Fe3+离子电化学还原成电化学生成的Fe2+离子来电化学生成Fe2 +离子。
方面A11：方面A10或任一前述方面的方法或系统，包括在所述溶解步骤过程中，在所述热还原矿石存在下，向所述酸性铁盐溶液提供所述电化学生成的Fe2+离子。
方面A12：方面A10或A11或任一前述方面的方法或系统，其中所述电化学电池生成所述电化学生成的质子和所述电化学生成的Fe2+离子两者；其中所述溶解步骤在所述溶解罐中进行；并且其中所述溶解罐和所述电化学电池是流体连接的，并且所述酸性铁盐溶液在所述溶解罐和所述电化学电池之间循环。
方面A13：方面A8或任一前述方面的方法或系统，其中所述电化学电池包括在阴极电解质存在下的阴极、在阳极电解质存在下的阳极和将所述阴极电解质与所述阳极电解质分开的隔件；
其中所述阴极电解质包含所述酸性铁盐溶液；
其中电化学还原所述酸性铁盐溶液中的Fe3+离子是在阴极处进行的，以在所述阴极电解质中形成所述电化学生成的Fe2+离子；以及
其中所述方法还包括：
在所述电化学电池中电化学生成所述电化学生成的质子；
向所述阴极电解质提供电化学生成的质子。
方面A14：方面A13或任一前述方面的方法或系统，其中电化学生成所述电化学生成的质子的步骤包括在所述阳极处电化学氧化水。
方面A15：方面A13或任一前述方面的方法或系统，其中电化学生成所述电化学生成的质子的步骤包括在所述阳极处电化学氧化H2气体。
方面A16：方面A14或A15或任一前述方面的方法或系统，其中提供所述电化学生成的质子的步骤包括将所述电化学生成的质子通过所述隔件从所述阳极电解质输送到所述阴极电解质。
方面A17：方面A13-A16中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述电化学电池的特征在于库仑效率大于80％(例如，大于：80％、85％、90％、95％或99％，任选地其中所述库仑效率小于：80％、85％、90％、95％、99％或100％，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如80-100％)。
方面A18：方面A13-A17中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述电化学生成的质子在所述阴极电解质中至少部分地形成酸。
方面A19：方面A13-A18中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括从所述阴极电解质向所述阳极电解质提供水。
方面A20：方面14或16或任一前述方面的方法或系统，其中在所述阳极处氧化的水包括在所述溶解步骤过程中通过溶解所述含铁矿石生成的水。
方面A21：方面A19或A20或任一前述方面的方法或系统，其中通过渗透从所述阴极电解质经隔件向所述阳极电解质提供水。
方面A22：方面A13-A21中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述阳极电解质的特征在于总盐浓度大于所述阴极电解质的总盐浓度。
方面A23：方面A13-A22中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括通过膜蒸馏从所述阴极电解质中分离水，并将所述分离的水提供给所述阳极电解质。
方面A24：方面A13-A23中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括通过闪蒸从所述阴极电解质中分离水，并将所述分离的水提供给所述阳极电解质。
方面A25：方面A13-A24中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括通过反渗透从所述阴极电解质中分离水，并将所述分离的水提供给所述阳极电解质。
方面A26：方面A13-A25中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述阳极电解质具有与所述阴极电解质不同的成分。
方面A27：方面A13-A26中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中第一阳极电解质具有与第一阴极电解质不同的pH。
方面A28：方面A13-A27中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阴极电解质具有比所述第一阳极电解质低的pH。
方面A29：方面A13-A28中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含与所述第一阴极电解质中的不同的溶解盐成分。
方面A30：方面A13-A29中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含一种或多种溶解的三价铁的铁盐；并且其中第一阳极电解质(analyte)的特征在于所述一种或多种溶解的三价铁的铁盐的总浓度等于或大于所述第一阴极电解质中的总铁离子的浓度。
方面A31：方面A13-A30中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阴极电解质包含一种或多种支持盐。
方面A32：方面A31或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阴极电解质包含浓度选自0.1至1M(例如，0.2至0.8M、0.4至0.6M、0.1至0.4M、0.4至0.8M或0.8至1M)的范围的一种或多种支持盐。
方面A33：方面A31或A32或任一前述方面的方法或系统，其中所述一种或多种支持盐包括一种或多种金属硫酸盐化合物和/或一种或多种金属氯化物化合物。
方面A34：方面A33或任一前述方面的方法或系统，其中所述一种或多种金属硫酸盐化合物包括硫酸钾、硫酸钠、硫酸铵、硫酸锂、氯化钾、氯化钠、氯化铵、氯化锂或这些的组合。
方面A35：方面A13-A34中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质的特征在于至少一个氧化还原对与所述第一阴极电解质中的不同。
方面A36：方面A13-A35中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含的溶解盐的总浓度比所述第一阴极电解质中的高。
方面A37：方面A1-A21、A23-A29或A31-35中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含的溶解盐的总浓度比所述第一阴极电解质中的低。
方面A38：方面A1-A29或A31-A35中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述阳极电解质基本上不含Fe2+和Fe3+离子。
方面A39：方面A13-A38中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述阴极电解质的特征在于最大盐浓度选自1至8M(例如，1-5M、2-5M、1-8M、2-7M、3-6M、4-5M、1-3M、3-5M、5-8M、1-4M、3-5M或3-8M)的范围。
方面A40：方面A13-A39中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述阴极电解质的特征在于最大铁离子浓度选自0.5至5M(例如，1-5M、1-4M、1-3M、0.5-5M、0.5-4M、2-4M、2-5M、1-2M)的范围。
方面A41：方面A13-A40中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括在所述阳极处电化学生成氧(O2)。
方面A42：方面A13-A41中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在所述阳极处的电化学反应的特征在于一个或多个氧化还原对选自由O2/H2O、H2O/H2、H2/H+、H+/H2O及这些的任意组合组成的组。
方面A43：方面A13-A42中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质通过第一隔件离子连接到所述第一阴极电解质。
方面A44：方面A43或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质是流体断开的。
方面A45：方面A13-A44中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述隔件是离子交换膜。
方面A46：方面A45或任一前述方面的方法或系统，其中所述隔件是质子交换膜(PEM)。
方面A47：前述方面中任一项的方法或系统，包括产生具有Fe2+离子的富铁溶液。
方面A48：方面A47或任一前述方面的方法或系统，其中产生的富铁溶液的特征在于总铁离子浓度选自0.5至5M(例如，1-4M、1-5M、0.5-4M、1-4M、1-3M、0.5-4M、2-4M、2-5M或1-2M)的范围。
方面A49：方面A47或A48或任一前述方面的方法或系统，包括从所述电化学电池和/或从进行所述溶解步骤的容器中移除产生的富铁溶液。
方面A50：方面A3-A49中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括在所述溶解步骤过程中和所述溶解步骤完成之前，通过将所述溶解罐与所述电化学电池流体断开和/或关闭所述电化学电池来升高所述酸性铁盐溶液的pH。
方面A51：方面A47-A50中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括将所述产生的富铁溶液的pH升高至选自2至7(例如，2-6.5、2-6、2-5、3-7、3-6、3-5、3-4、4-7、4-6、4-5、5-7、5-6或6-7)的范围，从而产生pH经调节的富铁溶液。
方面A52：方面A47-A51中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括将所述产生的富铁溶液的pH升高至选自2至小于7(例如，2-6.5、2-6、2-5、3至小于7、3-6、3-5、3-4、4至小于7、4-6、4-5、5至小于7、5-6、或6至小于7)的范围，从而产生pH经调节的富铁溶液。
方面A53：方面A51或A52或任一前述方面的方法或系统，其中升高pH的步骤包括在所述产生的富铁溶液存在下提供金属铁和/或一种或多种铁氧化物材料。
方面A54：方面A53或任一前述方面的方法或系统，其中所述升高pH的步骤包括在所述产生的富铁溶液存在下提供磁铁矿、金属铁、或磁铁矿和金属铁两者。
方面A55：方面A54或任一前述方面的方法或系统，其中所述升高pH的步骤包括在所述产生的富铁溶液存在下提供磁铁矿、或磁铁矿和金属铁两者。
方面A56：方面A51-A55中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述升高pH的步骤包括提供足够量的金属铁以将所述产生的富铁溶液的pH升高至选自2至7(例如，2-6.5、2-6、2-5、3-7、3至小于7、3-6、3-5、3-4、4-7、4至小于7、4-6、4-5、5-7、5至小于7、5-6、6-7、或6至小于7)的范围；在一些方面，所述金属铁是包含金属铁的材料。
方面A57：方面A47-A56中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括从所述产生的富铁溶液中沉淀或结晶一种或多种亚铁盐。
方面A58：方面A47-A57中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括通过除电镀之外的一种或多种工艺从所述产生的富铁溶液中移除一种或多种亚铁盐。
方面A59：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述热还原步骤包括将所述含铁矿石的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料在选自200℃至600℃的范围的升高的温度(例如，200-550、200-500、200-450、200-400、200-350、200-300、200-250、250-600、250-550、250-500、250-400、300-600、300-550、300-500、300-450、300-400、350-600、350-550、350-500、350-450、400-600、400-550、400-500、450-600、450-550或500-600的温度(℃))下暴露于还原剂，从而将所述一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料的至少一部分转化为磁铁矿。
方面A60：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述还原剂包括H2气体；并且其中所述H2气体的至少一部分是通过铁金属与酸的反应化学生成的，和/或所述H2气体的至少一部分是通过电镀铁过程的寄生析氢反应电化学生成的。
方面A61：方面A59或任一前述方面的方法或系统，其中在所述热还原步骤过程中，将所述含铁矿石暴露于所述升高的温度并持续一段热处理时间，并且其中将所述含铁矿石在整个所述热处理时间期间暴露于所述还原剂。
方面A62：方面A59或任一前述方面的方法或系统，其中在所述热还原步骤期间，将所述含铁矿石暴露于所述升高的温度并持续一段热处理时间，并且其中将所述含铁矿石在部分所述热处理时间期间暴露于所述还原剂。
方面A63：方面A62或任一前述方面的方法或系统，包括通过将所述含铁矿石在所述热处理时间的初始部分期间暴露于空气来对所述含铁矿石进行空气焙烧。
方面A64：前述方面中任一项的方法或系统，还包括在空气存在下在选自200℃至600℃的范围的温度(例如，200-550、200-500、200-450、200-400、200-350、200-300、200-250、250-600、250-550、250-500、250-400、300-600、300-550、300-500、300-450、300-400、350-600、350-550、350-500、350-450、400-600、400-550、400-500、450-600、450-550或500-600的温度(℃))下对所述含铁矿石的至少一部分进行空气焙烧以形成经空气焙烧矿石。
方面A65：方面A64或任一前述方面的方法或系统，其中所述空气焙烧步骤在所述热还原步骤之前进行，或与所述热还原步骤分开进行，其中经空气焙烧矿石在空气焙烧之前没有进行热还原。
方面A66：方面A64或A65或任一前述方面的方法或系统，其中所述热还原步骤包括热还原所述经空气焙烧矿石以形成热还原矿石的至少一部分；其中所述经空气焙烧矿石包含一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料。
方面A67：方面A64、A65或A66或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解步骤包括同时和/或按顺序溶解所述经空气焙烧矿石的至少一部分和所述热还原矿石的至少一部分。
方面A68：方面A67或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解步骤包括对于所述溶解步骤的至少一部分，将所述经空气焙烧矿石的至少一部分溶解在与所述热还原矿石分开的溶解罐中。
方面A69：方面A64-A68中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解步骤包括溶解矿石混合物；其中所述矿石混合物包含0重量％至100重量％(例如，以重量百分比计，0-100、1-100、1-90、1-80、1-70、1-60、1-50、1-40、1-30、1-20、1-10、5-100、5-90、5-80、5-70、5-60、5-50、5-40、5-30、5-20、5-10、10-100、10-90、10-80、10-70、10-60、10-50、10-40、10-30、10-20、20-100、20-90、20-80、20-70、20-60、20-50、20-40、20-30、40-100、40-80、40-60、50-100、50-80、50-60、60-100、60-80、70-100、70-80、80-100)的所述热还原矿石、5重量％至100重量％(例如，以重量百分比计，5-100、5-90、5-80、5-70、5-60、5-50、5-40、5-30、5-20、5-10、10-100、10-90、10-80、10-70、10-60、10-50、10-40、10-30、10-20、20-100、20-90、20-80、20-70、20-60、20-50、20-40、20-30、40-100、40-80、40-60、50-100、50-80、50-60、60-100、60-80、70-100、70-80、80-100)的经焙烧矿石、和0重量％至90重量％(例如，以重量百分比计，0-90、1-90、1-80、1-70、1-60、1-50、1-40、1-30、1-20、1-10、5-90、5-80、5-70、5-60、5-50、5-40、5-30、5-20、5-10、10-90、10-80、10-70、10-60、10-50、10-40、10-30、10-20、20-90、20-80、20-70、20-60、20-50、20-40、20-30、40-90、40-80、40-60、50-90、50-80、50-60、60-90、60-80、70-90、70-80、80-90)的经焙烧含磁铁矿矿石。
方面A70：方面A64-A69中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解步骤包括在所述电化学电池和以下的至少一个之间循环溶解溶液：第一溶解罐、第二溶解罐和第三溶解罐；其中所述第一溶解罐包含所述热还原矿石的至少一部分，所述第二溶解罐包含经空气焙烧矿石，以及所述第三溶解罐包含含铁原矿石；其中所述原矿石是既未进行热还原也未进行空气焙烧的含铁矿石。
方面A71：方面A70或任一前述方面的方法或系统，其中所述循环步骤包括将所述溶解溶液循环总循环时间或总循环周期数；其中所述溶解溶液在所述电化学电池和第三溶解罐之间循环0至99％(例如，0-95％、1-99％、1-95％、5-90％、10-85％、15-80％、20-75％、25-70％、30-65％、35-60％、40-55％、1-90％、1-80％、1-70％、1-60％、1-50％、1-20％、5-99％、5-80％、5-70％、5-60％、5-40％、5-20％、10-95％、10-80％、10-60％、20-95％、20-80％、20-60％、40-99％、40-80％、60-99％、60-80％、70-95或80-95％)的总循环时间或总循环周期数；其中所述溶解溶液在所述电化学电池和所述第二溶解罐之间循环0至99％(例如，0-95％、1-99％、1-95％、5-90％、10-85％、15-80％、20-75％、25-70％、30-65％、35-60％、40-55％、1-90％、1-80％、1-70％、1-60％、1-50％、1-20％、5-99％、5-80％、5-70％、5-60％、5-40％、5-20％、10-95％、10-80％、10-60％、20-95％、20-80％、20-60％、40-99％、40-80％、60-99％、60-80％、70-95或80-95％)的总循环时间或总循环周期数；并且其中所述溶解溶液在所述电化学电池和所述第一溶解罐之间循环1至100％(例如，1-99％、5-100％、1-95％、5-90％、10-100％、10-85％、15-80％、20-100％、20-75％、25-70％、30-65％、35-60％、40-100％、40-55％、1-90％、1-80％、1-70％、1-60％、1-50％、1-20％、5-99％、5-80％、5-70％、5-60％、5-40％、5-20％、10-95％、10-80％、10-60％、20-95％、20-80％、50-100％、20-60％、40-99％、70-100％、40-80％、60-99％、60-80％、70-95％、80-100或80-95％)的总循环时间或总循环周期数。
方面A72：方面A70或A71或任一前述方面的方法或系统，其中在所述循环步骤过程中，所述溶解溶液在所述电化学电池和以下的任意两个或任意三个之间以任意顺序依次循环和/或同时循环：第一溶解罐、第二溶解罐和第三溶解罐。
方面A73：方面A72或任一前述方面的方法或系统，其中所述循环步骤包括在所述电化学电池和具有原矿石的所述第三溶解罐之间对所述溶解溶液进行第一循环，然后在所述电化学电池和具有经空气焙烧矿石的所述第二溶解罐之间对所述溶解溶液进行第二循环，然后在所述电化学电池和具有热还原矿石的所述第一溶解罐之间对所述溶解溶液进行第三循环。
方面A74：方面A70-A73中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解溶液是所述酸性铁盐溶液或包含所述酸性铁盐溶液。
方面A75：方面A64-A74中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在所述溶解步骤的任何部分的过程中，所述第一溶解罐还包含经空气焙烧矿石、原矿石或两者。
方面A76：方面A64-A75中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在所述溶解步骤的任何部分的过程中，所述第二溶解罐还包含热还原矿石、原矿石或两者。
方面A77：方面A64-A76中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在所述溶解步骤的任何部分的过程中，所述第三溶解罐还包含经空气焙烧矿石、热还原矿石或两者。
方面A78：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述溶解步骤在至少一个溶解罐中进行；并且其中所述溶解步骤包括在所述热还原矿石存在下，将经空气焙烧矿石、原矿石或两者进一步引入到至少一个溶解罐中的酸性铁盐溶液中。
方面A79：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料包括赤铁矿和/或针铁矿。
方面A80：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述酸包括盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、柠檬酸、草酸、硼酸、甲磺酸或其任意组合。
方面A81：一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：
在溶解罐中，使所述含铁矿石与酸接触以溶解所述含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
使所述酸性铁盐溶液的至少一部分在所述溶解罐和电化学电池的阴极室之间再循环，所述电化学电池包括在所述阴极室中在充当阴极电解质的所述酸性铁盐溶液的至少一部分存在下的阴极、在阳极电解质存在下的阳极、和将所述阴极电解质与所述阳极电解质分开的隔件；
在所述阴极处电化学还原来自所述阴极电解质的溶解的Fe3+离子的至少一部分，以在所述阴极电解质中形成Fe2+离子；以及
在所述电化学电池中电化学生成质子并将电化学生成的质子提供给所述阴极电解质；其中在所述含铁矿石存在下，所述溶解罐中的所述酸性铁盐溶液的特征在于游离质子的稳态浓度为至少0.2M(任选地，例如，至少0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4或5M，任选地，其中稳态游离质子浓度小于0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4、5或6M，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.2-6M)。
方面A82：一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：
在还原剂存在下，热还原所述含铁矿石中的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料以形成磁铁矿，从而形成热还原矿石；
其中所述还原剂包括H2气体；以及
其中所述H2气体的至少一部分是通过铁金属与酸的反应化学生成的，和/或所述H2气体的至少一部分是通过电镀铁过程的寄生析氢反应电化学生成的；以及
使用酸性溶液溶解至少所述热还原矿石以形成铁盐溶液；
其中溶解步骤包括将形成的磁铁矿溶解在所述酸性溶液中。
方面A83：一种用于加工和溶解含铁矿石的系统，所述系统包括：
第一溶解罐，用于使用第一酸溶解第一含铁矿石；其中：
所述第一矿石在所述第一酸中的溶解在所述第一溶解罐中形成包含溶解的Fe3+离子的第一酸性铁盐溶液；
电化学电池，其流体连接到所述第一溶解罐；其中：
所述电化学电池包括在阴极存在下具有阴极电解质的阴极室、在阳极存在下具有阳极电解质的阳极室、和将所述阴极电解质与所述阳极电解质分开的隔件；以及
第一循环子系统，其将所述第一酸性铁盐溶液的至少一部分从所述第一溶解罐循环至所述阴极室，并将所述阴极电解质的至少一部分从所述电化学电池循环至所述第一溶解罐；
其中在所述阴极处将来自所述第一酸性铁盐溶液的Fe3+离子的至少一部分电化学还原成所述阴极电解质中的Fe2+离子，从而消耗来自所述第一酸性铁盐溶液的Fe3+离子。
方面A84：方面A83或任一前述方面的方法或系统，其中质子在所述电化学电池中电化学生成并提供给所述阴极电解质，从而至少部分地补充溶解过程中消耗的酸。
方面A85：方面A84或任一前述方面的方法或系统，其中质子在所述阳极电解质中电化学生成，并穿过所述隔件到达所述阴极电解质。
方面A86：方面A83、A84或A85或任一前述方面的方法或系统，其中在所述含铁矿石存在下，所述溶解罐中的酸性铁盐溶液的特征在于游离质子的稳态浓度为至少0.2M(任选地，例如，至少0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4或5M，任选地其中所述稳态游离质子浓度小于0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4、5或6M，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.2-6M)，和/或其特征在于稳态pH等于或小于0.7(例如等于或小于0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0、-0.1、-0.5或-1，任选地其中所述稳态pH为至少0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0、-0.1、-0.5或-1，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如-1至0.7)。
方面A87：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述阳极电解质包含水或水性盐溶液；并且其中水在所述阳极处电化学氧化以在所述阳极电解质中生成质子；并且其中生成的质子通过所述隔件输送到所述阴极电解质。
方面A88：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述阳极电解质具有与所述阴极电解质不同的成分。
方面A89：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一含铁矿石包括具有磁铁矿的热还原矿石。
方面A90：方面A69或任一前述方面的方法或系统，还包括热还原子系统，其配置为通过在还原剂存在下并在选自200℃至600℃的范围的升高的温度(例如，200-550、200-500、200-450、200-400、200-350、200-300、200-250、250-600、250-550、250-500、250-400、300-600、300-550、300-500、300-450、300-400、350-600、350-550、350-500、350-450、400-600、400-550、400-500、450-600、450-550或500-600的温度(℃))下将非磁铁矿材料转化成磁铁矿来形成热还原矿石；其中将所述热还原矿石从所述热还原子系统提供给所述第一溶解罐。
方面A91：方面A90或任一前述方面的方法或系统，包括空气焙烧子系统，其配置为通过在空气存在下并在选自200℃至600℃的范围的升高的温度(例如，200-550、200-500、200-450、200-400、200-350、200-300、200-250、250-600、250-550、250-500、250-400、300-600、300-550、300-500、300-450、300-400、350-600、350-550、350-500、350-450、400-600、400-550、400-500、450-600、450-550或500-600的温度(℃))下对所述含铁矿石进行空气焙烧来形成经空气焙烧矿石。
方面A92：方面A91或任一前述方面的方法或系统，其中所述空气焙烧子系统和所述热还原子系统是同一个。
方面A93：前述方面中任一项的方法或系统，包括具有经空气焙烧矿石的第二溶解罐；其中所述经空气焙烧矿石是未进行热还原的含铁矿石，并且其已经在选自200℃至600℃的范围的升高的温度(例如，200-550、200-500、200-450、200-400、200-350、200-300、200-250、250-600、250-550、250-500、250-400、300-600、300-550、300-500、300-450、300-400、350-600、350-550、350-500、350-450、400-600、400-550、400-500、450-600、450-550或500-600的温度(℃))下暴露于空气；
其中在包含溶解的Fe3+离子的第二酸性铁盐溶液存在下，在所述第二溶解罐中发生经空气焙烧矿石的溶解；
其中所述系统还包括第二循环子系统，其将所述第二酸性铁盐溶液的至少一部分从所述第二溶解罐循环至所述阴极室，并将所述阴极电解质的至少一部分从所述电化学电池循环至所述第二溶解罐；以及
其中来自所述第二酸性铁盐溶液的Fe3+离子的至少一部分在所述阴极处电化学还原成所述阴极电解质中的Fe2+离子，从而消耗来自所述第二酸性铁盐溶液的Fe3+离子。
方面A94：前述方面中任一项的方法或系统，包括具有原矿石的第三溶解罐；其中所述原矿石是既未进行热还原也未进行空气焙烧的含铁矿石；
其中在包含溶解的Fe3+离子的第三酸性铁盐溶液存在下，在所述第三溶解罐中发生经空气焙烧矿石的溶解；
其中所述系统还包括第三循环子系统，其将所述第三酸性铁盐溶液的至少一部分从所述第三溶解罐循环至所述阴极室，并将所述阴极电解质的至少一部分从所述电化学电池循环至所述第三溶解罐；以及
其中来自所述第三酸性铁盐溶液的Fe3+离子的至少一部分在所述阴极处电化学还原成所述阴极电解质中的Fe2+离子，从而消耗来自所述第三酸性铁盐溶液的Fe3+离子。
方面A95：前述方面中任一项的方法或系统，其配置为产生具有浓度选自1M至4M(例如，1-3.5、1-3、1-2.5、1-2、1-1.5、1.5-4、1.5-3.5、1.5-3、1.5-2.5、1.5-2、2-4、2-3.5、2-3、2-2.5、2.5-4、2.5-3.5、2.5-3、3-4或3-3.5)的范围的铁离子的富铁溶液。
方面A96：以上或以下方面中任一项的方法或系统，其中当所述酸性铁盐溶液中的质子浓度(任选地，稳态质子浓度)等于或小于0.4M(任选地0.3M、任选地0.2M、任选地0.1M)(任选地，在所述溶解步骤进行的大部分时间高于该阈值之后)时，所述溶解步骤终止。
方面A97：以上或以下方面中任一项的方法或系统，其中当所述第一阴极电解质中、所述酸性铁盐溶液中和/或所述产生的富铁溶液中的总铁离子浓度达到期望的最大值(任选地，稳态值)时，所述溶解步骤终止，所述最大值为1M、任选地2M、任选地3M、任选地4M、任选地包括1M和4M的1M至4M的任何值或范围。
方面B1a：一种用于生产铁的方法，所述方法包括：
向包括第一电化学电池的溶解子系统提供具有含铁矿石的原料；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的成分；
使用酸溶解所述含铁矿石的至少一部分以形成具有溶解的第一Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
向所述第一阴极室提供具有第一Fe3+离子的至少一部分的酸性铁盐溶液的至少一部分；
第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一Fe3+离子以形成Fe2+离子；
将形成的Fe2+离子从所述溶解子系统转移到具有第二电化学电池的镀铁子系统；
在所述第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的Fe2+离子的第一部分第二电化学还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除所述Fe金属，从而生产铁。
方面B1b：一种用于生产铁的方法，所述方法包括：
向包括第一电化学电池的溶解子系统提供具有含铁矿石的原料；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有H2气体的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极室与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
使用酸溶解所述含铁矿石的至少一部分以形成具有溶解的第一Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
向所述第一阴极室提供具有所述第一Fe3+离子的至少一部分的酸性铁盐溶液的至少一部分；
第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一Fe3+离子以形成Fe2+离子；
将形成的Fe2+离子从所述溶解子系统转移到具有第二电化学电池的镀铁子系统；
在所述第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的Fe2+离子的第一部分第二电化学还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除所述Fe金属，从而生产铁。
方面B1c：一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其具有溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述溶解罐；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的成分；以及
镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及
第一子系统间流体连接件，其位于所述溶解子系统和所述镀铁子系统之间；
其中：
所述溶解罐接收具有含铁矿石的原料；
所述溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述含铁矿石的至少一部分以生成溶解的第一Fe3+离子；
所述第一Fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
形成的Fe2+离子通过所述第一子系统间流体连接件从所述溶解子系统转移到所述镀铁子系统；
所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除所述Fe金属。
方面B1d：一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其具有溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述溶解罐；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有H2气体的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极室与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及
第一子系统间流体连接件，其位于所述溶解子系统和所述镀铁子系统之间；
其中：
所述溶解罐接收具有含铁矿石的原料；
所述溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述含铁矿石的至少一部分以生成溶解的第一Fe3+离子；
所述第一Fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
形成的Fe2+离子通过所述第一子系统间流体连接件从所述溶解子系统转移到所述镀铁子系统；
所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除Fe金属。
方面B2：任一前述方面的方法或系统，包括在所述第一电化学电池中电化学生成质子，以及在溶解步骤过程中将电化学生成的质子提供给所述酸性铁盐溶液。
方面B3：方面B2或任一前述方面的方法或系统，其中生成并提供给所述酸性铁盐溶液的电化学生成的质子有助于所述酸性铁盐溶液的特征在于在溶解步骤过程中稳态pH等于或小于0.7(例如等于或小于0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0、-0.1、-0.5或-1，任选地，其中所述稳态pH为至少0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0、-0.1、-0.5或-1，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如-1至0.7)。
方面B4：方面B2或方面B3或任一前述方面的方法或系统，其中生成并提供给所述酸性铁盐溶液的电化学生成的质子有助于所述酸性铁盐溶液的特征在于在溶解步骤过程中稳态自由质子浓度大于或等于0.2M(例如，大于或等于0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4或5M，任选地，其中所述稳态自由质子浓度小于0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4、5或6M，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.2-6M)。
方面B5：前述方面中任一项的方法或系统，包括在溶解步骤过程中通过第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一Fe3+离子的步骤，从所述酸性铁盐溶液中连续地移除Fe3+离子，以促进所述含铁矿石的溶解。
方面B6：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的pH。
方面B7：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阴极电解质具有比所述第一阳极电解质低的pH。
方面B8：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含与所述第一阴极电解质中的不同的溶解盐成分。
方面B9：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含一种或多种溶解的三价铁的铁盐；并且其中所述第一阳极电解质的特征在于一种或多种溶解的三价铁的铁盐的总浓度等于或大于所述第一阴极电解质中的总铁离子浓度。
方面B10：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阴极电解质包含一种或多种支持盐。
方面B11：方面B10或任一前述方面的方法或系统，其中第一阴极电解质包含浓度选自0.1至1M(例如，0.2至0.8M、0.4至0.6M、0.1至0.4M、0.4至0.8M、或0.8至1M)的范围的一种或多种支持盐。
方面B12：方面B10或B11或任一前述方面的方法或系统，其中所述一种或多种支持盐包括一种或多种金属硫酸盐化合物和/或一种或多种金属氯化物化合物。
方面B13：方面B12或任一前述方面的方法或系统，其中所述一种或多种金属硫酸盐化合物包括硫酸钾、硫酸钠、硫酸铵、硫酸锂、氯化钾、氯化钠、氯化铵、氯化锂或这些的组合。
方面B14：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质的特征在于至少一个氧化还原对与所述第一阴极电解质中的不同。
方面B15：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含的溶解盐的总浓度比所述第一阴极电解质中的高。
方面B16：方面B1-B8和B10-B14中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含的溶解盐的总浓度比所述第一阴极电解质中的低。
方面B17：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质通过所述第一隔件离子连接到所述第一阴极电解质。
方面B18：方面B17或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质是流体断开的。
方面B19：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一隔件是离子交换膜。
方面B20：方面B19或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一隔件是质子交换膜(PEM)。
方面B21：前述方面中任一项的方法或系统，其中：
所述溶解子系统包括第一溶解罐，所述第一溶解罐流体连接到所述第一电化学电池；
溶解步骤在所述溶解罐中进行，使得在所述溶解罐中生成溶解的第一Fe3+离子；
所述方法包括在所述溶解罐和所述第一电化学电池之间对所述酸性铁盐溶液的至少一部分进行第一循环；
所述第一循环步骤包括从所述溶解罐向所述第一阴极室提供具有所述第一Fe3+离子的至少一部分的所述酸性铁盐溶液的至少一部分的步骤，并且所述第一循环步骤还包括从所述第一阴极电解质向所述第一溶解罐提供形成的Fe2+离子。
方面B22：方面B21或任一前述方面的方法或系统，其中提供给所述第一阴极室的酸性铁盐溶液的部分用作所述第一阴极电解质的至少一部分，使得所述第一阴极电解质包含所述酸性铁盐溶液的至少一部分。
方面B23：方面B21或B22或任一前述方面的方法或系统，其中所有的酸性铁盐溶液在所述第一溶解罐和所述第一电化学电池之间循环。
方面B24：方面B21、B22或B23或任一前述方面的方法或系统，包括氧化所述第一阳极电解质中的水以电化学生成水性质子，并将电化学生成的质子提供给所述第一阴极电解质；其中所述循环步骤包括从所述第一阴极电解质向所述溶解罐提供电化学生成的水性质子，使得所述第一溶解罐中的酸性铁盐溶液包含在溶解步骤过程中电化学生成的质子。
方面B25：方面B24或任一前述方面的方法或系统，其中在所述第一电化学电池中氧化的水通过溶解所述含铁矿石在所述溶解罐中生成；并且其中循环步骤包括从所述第一溶解罐向所述第一阴极电解质提供生成的水。
方面B26：前述方面中任一项的方法或系统，包括从所述第一阴极电解质向所述第一阳极电解质提供水。
方面B27：前述方面中任一项的方法或系统，包括在所述溶解子系统中产生具有形成的Fe2+离子的富铁溶液；其中转移形成的Fe2+离子的步骤包括从所述溶解子系统中移除所述富铁溶液的至少一部分，并将递送的富铁溶液递送至所述镀铁子系统；其中递送的富铁溶液包含移除的富铁溶液的至少一部分。
方面B28：方面B27或任一前述方面的方法或系统，其中递送的具有形成的Fe2+离子的富铁溶液的特征在于pH大于0.5(例如，大于：0.5、0.6、0.7、0.8、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5或6，任选地，其中所述pH小于：0.6、0.7、0.8、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5或6，并且这些pH可以以任何方式组合以形成范围，例如0.5-6)。
方面B29：方面B28或任一前述方面的方法或系统，其中递送的富铁溶液的特征在于pH大于或等于1(例如，大于：1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5或6，任选地，其中所述pH小于：2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5或6，并且这些pH可以以任何方式组合以形成范围，例如1-6)
方面B30：方面B29或任一前述方面的方法或系统，其中递送的富铁溶液的特征在于pH选自2至6(例如，大于：2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5或6，任选地，其中所述pH小于：2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5或6，并且这些pH可以以任何方式组合以形成范围)的范围。
方面B31：方面B27-B30中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中递送的富铁溶液包含的Fe2+离子的浓度比Fe3+离子的浓度高。
方面B32：方面B27-B31中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中递送的富铁溶液的特征在于Fe3+离子与Fe2+离子的浓度比率小于或等于0.01(例如，小于或等于0.01、0.0075、0.005、0.0025或0.001，任选地，其中所述比率可以大于或等于0.0075、0.005、0.0025、0.001，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.001-0.01)。
方面B33：方面B27-B32中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中将递送的富铁溶液直接或间接地递送至第二阴极室；其中所述第二电化学电池包括在所述第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室。
方面B34：方面B33或任一前述方面的方法或系统，其中将递送的富铁溶液的至少70％(例如，至少：70％、75％、80％、85％、90％、95％、99％或100％，任选地，其中这样的值小于75％、80％、85％、90％、95％、99％或100％，并且可以以任何方式组合以形成范围，例如70-99％)直接或间接地递送至第二阴极室。
方面B35：方面B34或任一前述方面的方法或系统，其中将递送的富铁溶液的至少90％直接或间接地递送至第二阴极室。
方面B36：方面B33-B35中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中第二电化学还原步骤形成废第二阴极电解质，所述废第二阴极电解质具有的铁离子浓度比所递送的富铁溶液的铁离子的浓度低；其中将所述废第二阴极电解质的至少一部分提供给所述第二阳极室；其中所述第二电化学电池包括在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室。
方面B37：方面B36或任一前述方面的方法或系统，其中当第二电化学还原步骤完成或关闭时，形成所述废第二阴极电解质。
方面B38：方面B36或B37或任一前述方面的方法或系统，其中所述废第二阴极电解质的特征在于铁离子的浓度为递送的富铁溶液中的铁离子的浓度的60％至70％(例如，62-68％、64-66％、60-65％或65-70％)。
方面B39：方面B37或任一前述方面的方法或系统，其中当所述第二阴极电解质中的铁离子的浓度降低至递送的富铁溶液中的铁离子的浓度的60％至70％(例如，62-68％、64-66％、60-65％或65-70％)时，第二电化学还原步骤完成或关闭。
方面B40：方面B27-B33中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中将递送的富铁溶液的第一部分直接或间接地递送至第二阴极室；其中将递送的富铁溶液的第二部分直接或间接地递送至第二阳极室；并且其中所述第二电化学电池包括在第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室，并且所述第二电化学电池包括在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室。
方面B41：方面B40或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一部分是25体积％至45体积％(例如，30-40体积％、32-38体积％、25-35体积％或35-45体积％)的递送的富铁溶液，并且所述第二部分是55体积％至75体积％(例如，60-70体积％、62-68体积％、55-65体积％或65-75体积％)的递送的富铁溶液。
方面B42：方面B40或B41或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一部分包含递送的富铁溶液的25摩尔％到45摩尔％(例如30-40摩尔％、32-38摩尔％、25-35摩尔％或35-45摩尔％)的Fe2+，并且所述第二部分包含递送的富铁溶液的55摩尔％到75摩尔％(例如60-70摩尔％、62-68摩尔％、55-65摩尔％或65-75摩尔％)的Fe2+。
方面B43：方面B27-B42中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中转移步骤还包括在递送步骤之前处理所述富铁溶液的移除部分，从而形成经处理的富铁溶液；并且其中递送的富铁溶液包括所述经处理的富铁溶液的至少一部分。
方面B44：方面B43或任一前述方面的方法或系统，其中所述处理步骤包括：升高所述富铁溶液的移除部分的pH。
方面B45：方面B43或B44或任一前述方面的方法或系统，其中所述处理步骤包括通过在所述富铁溶液的移除部分存在下提供金属铁来升高所述富铁溶液的移除部分的pH；并且其中所述富铁溶液的移除部分和所提供的金属铁之间的反应消耗了所述富铁溶液的移除部分中的质子。
方面B46：方面B45或任一前述方面的方法或系统，其中升高所述富铁溶液的移除部分的pH还包括在所述富铁溶液的移除部分存在下在提供金属铁之前和/或同时在所述富铁溶液的移除部分存在下提供磁铁矿。
方面B47：方面B45或B46或任一前述方面的方法或系统，其中所述富铁溶液的移除部分和所提供的金属铁之间的反应化学生成H2气体；并且其中所述方法还包括收集化学产生的H2气体。
方面B48：方面B43-B47中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述经处理的亚铁溶液具有选自2至小于7(例如，2-4、4-6、6至小于7、3至小于7、3-6或4-5)的范围的pH。
方面B49：前述方面中任一项的方法或系统，包括在第二阳极电解质中电化学氧化Fe2+离子以形成第二Fe3+离子；其中所述第二电化学电池包括在第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室，并且所述第二电化学电池包括在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室。
方面B50：方面B49或任一前述方面的方法或系统，包括将第一再循环溶液从所述镀铁子系统再循环到所述溶解子系统；其中所述再循环溶液包含在所述第二阳极电解质中形成的第二Fe3+离子。
方面B51：方面B50或任一前述方面的方法或系统，其中所述再循环步骤在第二电化学还原步骤完成或关闭之后进行。
方面B52：方面B50或B51或任一前述方面的方法或系统，其中将所述第一再循环溶液提供给所述第一溶解罐；其中溶解步骤在包含所述含铁矿石和所述酸性铁盐溶液的第一溶解罐中进行。
方面B53：方面B50、B51或B52或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一再循环溶液包含来自所述第二电化学电池的第二阴极电解质和第二阳极电解质的至少一部分。
方面B54：方面B27-B53中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中当所述第二电化学电池的第二阴极电解质的特征在于铁离子的总浓度为(i)递送的富铁溶液或(ii)产生的富铁溶液中的铁离子的浓度的60％至70％(任选地，50％至80％；任选地，62-68％、64-66％、60-65％或65-70％)时，第二电化学还原步骤完成或关闭。
方面B55：任一前述方面。
方面B56：任一前述方面。
方面B57：前述方面中任一项的方法或系统，其中当所述第二电化学电池的第二阴极上形成的Fe金属的平均厚度选自1mm至10mm(例如，1-10、1-8、1-6、1-4、1-2、2-10、2-8、2-6、2-4、4-10、4-8、4-6、6-10、6-8或8-10的平均厚度(mm))的范围时，第二电化学还原步骤完成或关闭。
方面B58：任一前述方面。
方面B59：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述镀铁子系统包括第一循环罐，其配置为在所述第二电化学电池的第二阴极室和所述第一循环罐之间循环第二阴极电解质；并且其中所述镀铁子系统包括第二循环罐，其配置为在所述第二电化学电池的第二阳极室和所述第二循环罐之间循环第二阳极电解质。
方面B60：方面B59或任一前述方面的方法或系统，其中将将间接地递送到第二阴极室的富铁溶液递送到所述第一循环罐。
方面B61：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二电化学电池包括由第二隔件隔开的第二阴极电解质和第二阳极电解质。
方面B62：方面B61的方法或系统，其中第二隔件是PEM或阴离子交换膜(AEM)或微孔隔件。
方面B63：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一电化学电池在不同于所述第二电化学电池的电流密度下运行。
方面B64：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一电化学电池在不同于所述第二电化学电池的电流密度下同时运行。
方面B65：方面B63或B64或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一电化学电池在比第二电化学电池高的电流密度下运行。
方面B66：方面B63、B64或B65或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一电化学电池在选自0.1至2A/cm2的范围的电流密度(例如，0.1-2、0.1-1.5、0.1-1、0.1-0.5、0.5-2、0.5-1.5、0.5-1、1-2、1-1.5或1.5-2的电流密度(A/cm2))下运行，并且所述第二电化学电池在选自20至300mA/cm2的范围的电流密度(例如，20-300、20-250、20-200、20-150、20-100、20-50、50-300、50-250、50-200、50-150、50-100、100-300、100-250、100-200、100-150、150-300、150-250、150-200、200-300、200-250、或250-300的电流密度(A/cm2))下运行。
方面B67：前述方面中任一项的方法或系统，包括重复所述方法至少5个循环(例如，至少：5、6、7、8、9、10、15、20、30、50或100个循环，任选地其中所述循环少于：6、7、8、9、10、15、20、30、50、100或150，并且这些值中的每个可以以任何方式组合以形成范围，例如5-150)。
方面B68：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述含铁矿石包含一种或多种铁氧化物材料。
方面B69：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述一种或多种铁氧化物材料包括赤铁矿、磁赤铁矿、水铁矿、磁铁矿、针铁矿、正方针铁矿、纤铁矿、六方纤铁矿或这些的任意组合。
方面B70：前述方面中任一项的方法或系统，其中溶解步骤包括溶解所述含铁矿石中的磁铁矿。
方面B71：前述方面中任一项的方法或系统，包括生成H2气体和收集所生成的H2气体。
方面B72：方面B47或B71或任一前述方面的方法或系统，将所收集的H2气体的至少一部分氧化并在热还原含铁矿石的过程中用作还原剂。
方面B73：前述方面中任一项的方法或系统，包括电控制所述第一电化学电池以防止在所述第一阴极处的Fe金属电镀。
方面B74：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二电化学电池在选自40℃至80℃(例如，45-75℃、50-70℃、55-65℃、40-55℃、55-70℃、40-70℃或50-80℃)的范围的温度下运行。
方面B75：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二电化学电池包括第二阴极电解质和第二阳极电解质；并且其中所述第二阳极电解质具有比所述第二阴极电解质低的pH。
方面B76：方面B75或任一前述方面的方法或系统，其中所述第二阳极电解质的pH小于Fe(III)(OH)2的溶解度极限的pH。
方面B77：方面B75或B76或任一前述方面的方法或系统，其中在第二电化学还原步骤过程中，所述第二阴极电解质具有的pH小于6(例如，小于：6、5.5、5、4.5、4、3.5、3、2.5、2、1.5、1、0.5、0、-0.5或-1，任选地，其中所述pH为至少5.5、5、4.5、4、3.5、3、2.5、2、1.5、1、0.5、0、-0.5或-1，并且这些值中的每个可以以任何方式组合以形成范围，例如-1至6)。
方面B78：前述方面中任一项的方法或系统，其中所移除的Fe金属包含至少99重量％(例如，至少：99重量％、至少99.5重量％、至少99.9重量％、或100重量％)的Fe。
方面B79：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极具有包含铅、铅氧化物、锰氧化物、混合的金属氧化物、铱氧化物、钌氧化物或这些的任意组合的组合物。
方面B80：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阴极具有包含碳、石墨、钛或这些的任意组合的组合物。
方面B81：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二阳极具有包含碳、石墨、铅、铅氧化物、混合的金属氧化物或这些的任意组合的组合物。
方面B82：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二阴极具有包含钢、低碳钢、不锈钢、铜、铜合金或这些的任意组合的组合物。
方面B83：一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其具有溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述溶解罐；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的成分；以及
镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及
第一子系统间流体连接件，其位于所述溶解子系统和所述镀铁子系统之间；
其中：
所述溶解罐接收具有含铁矿石的原料；
所述溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述含铁矿石的至少一部分以生成溶解的第一Fe3+离子；
所述第一Fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
形成的Fe2+离子通过所述第一子系统间流体连接件从所述溶解子系统转移到所述镀铁子系统；
所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除所述Fe金属。
方面B84：方面B83或任一前述方面的方法或系统，其中所述第二电化学电池包括在第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室，并且所述第二电化学电池包括在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室。
方面B85：方面B84或任一前述方面的方法或系统，其中在第二阳极电解质中将Fe2+离子氧化成Fe3+离子。
方面B86：方面B83-B85中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解子系统产生具有形成的Fe2+离子的富铁溶液；其中所述系统包括转移子系统，用于移除产生的富铁溶液的至少一部分并处理富铁溶液的移除部分，从而形成经处理的富铁溶液。
方面B87：方面B84-B87中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括废电解质再循环系统，其配置为将第一再循环溶液从所述第二电化学电池再循环至所述溶解子系统。
方面B88：方面B87或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一再循环溶液包含所述第二阳极电解质的至少一部分和所述第二阴极电解质的至少一部分。
方面B89：方面B87或任一前述方面的方法或系统，其中在形成的Fe2+离子至Fe金属的还原完成或关闭之后，通过混合所述第二阳极电解质的至少一部分和所述第二阴极电解质的至少一部分来形成所述第一再循环溶液。
方面B90：一种用于生产铁的方法，所述方法包括：
向包括第一电化学电池的溶解子系统提供具有含铁矿石的原料；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有H2气体的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极室与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
使用酸溶解所述含铁矿石的至少一部分以形成具有溶解的第一Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
向所述第一阴极室提供具有所述第一Fe3+离子的至少一部分的酸性铁盐溶液的至少一部分；
第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一Fe3+离子以形成Fe2+离子；
将形成的Fe2+离子从所述溶解子系统转移到具有第二电化学电池的镀铁子系统；
在所述第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的Fe2+离子的第一部分第二电化学还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除所述Fe金属，从而生产铁。
方面B91：方面B90或任一前述方面的方法或系统，包括在所述第一阳极处氧化H2气体以电化学生成质子。
方面B92：以上或以下方面中任一项的方法或系统，其中当所述酸性铁盐溶液中的质子浓度(任选地，稳态质子浓度)等于或小于0.4M(任选地0.3M、任选地0.2M、任选地0.1M)(任选地，在所述溶解步骤进行的大部分时间高于该阈值之后)时，所述溶解步骤终止。
方面B93：以上或以下方面中任一项的方法或系统，其中当所述第一阴极电解质中、所述酸性铁盐溶液中和/或所述产生的富铁溶液中的总铁离子浓度达到期望的最大值(任选地，稳态值)时，所述溶解步骤终止，所述最大值为1M、任选地2M、任选地3M、任选地4M、任选地包括1M和4M的1M至4M的任何值或范围。
方面C1a：一种用于生产铁的方法，所述方法包括：
向包括第一电化学电池的溶解子系统提供具有含铁矿石和一种或多种杂质的原料；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；
使用酸溶解所述含铁矿石的至少一部分以形成具有溶解的第一Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
向所述第一阴极室提供具有第一Fe3+离子的至少一部分的酸性铁盐溶液的至少一部分；
第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一Fe3+离子以形成Fe2+离子；
在所述溶解子系统中产生富铁溶液，所述富铁溶液具有形成的Fe2+离子的至少一部分和所述一种或多种杂质的至少一部分；
处理所述富铁溶液的至少第一部分，以从所述富铁溶液中移除所述一种或多种杂质的至少一部分，从而形成具有所述形成的Fe2+离子的至少一部分的经处理的富铁溶液；
其中所述处理步骤包括将所述富铁溶液的pH从初始pH升高至经调节的pH，从而沉淀所述经处理的富铁溶液中的所述一种或多种杂质的至少一部分；
将所述经处理的富铁溶液的至少第一部分递送至具有第二电化学电池的镀铁子系统；
在所述第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分第二电化学还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除Fe金属，从而生产铁。
方面C1b：一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其具有第一溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述第一溶解罐；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阴极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第二阳极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及
第一杂质移除子系统；
其中：
所述第一溶解罐接收具有一种或多种含铁矿石和一种或多种杂质的原料；
所述第一溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述一种或多种含铁矿石的至少一部分，以在所述酸性铁盐溶液中生成溶解的第一Fe3+离子；
向所述第一阴极室提供具有所述第一Fe3+离子的至少一部分的所述酸性铁盐溶液的至少一部分；
所述第一Fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
在所述溶解子系统中形成富铁溶液，所述富铁溶液具有形成的Fe2+离子的至少一部分和所述一种或多种杂质的至少一部分；
向所述第一杂质移除子系统提供所述富铁溶液的至少一部分，以从所述富铁溶液中移除所述一种或多种杂质的至少一部分，从而形成具有所述形成的Fe2+离子的至少一部分的经处理的富铁溶液；
其中在所述第一杂质移除子系统中，将所述富铁溶液的pH从初始pH升高至经调节的pH，以沉淀所述一种或多种杂质的移除部分；
将所述经处理的富铁溶液的至少第一部分从所述第一杂质移除子系统递送至所述镀铁子系统；
所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的递送的Fe2+离子的至少一部分还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除Fe金属。
方面C2：方面C1a或C1b或任一前述方面的方法或系统，其中溶解所述含铁矿石的至少一部分生成不可溶性杂质；并且其中所述方法还包括分离和移除不可溶性杂质的至少一部分。
方面C3：方面C2或任一前述方面的方法或系统，其中通过过滤出和/或分离出所述不可溶性杂质来移除所述不可溶性杂质的至少一部分。
方面C4：方面C2或C3或任一前述方面的方法或系统，其中所述不可溶性杂质包括石英、石膏和这些的任意组合。
方面C5a：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述经调节的pH处于或大于一种或多种杂质的沉淀pH，并且低于Fe2+离子的沉淀pH，从而沉淀所述一种或多种杂质的至少一部分。
方面C5b：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述经调节的pH处于或超过所述一种或多种杂质的溶解度极限，并且低于Fe2+离子的溶解度极限，从而沉淀所述一种或多种杂质的至少一部分。
方面C6a：方面C5a或C5b或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH处于或大于铝、钛和磷酸根离子的沉淀pH，并且低于Fe2+离子的沉淀pH，从而沉淀铝、钛和含磷离子的至少一部分。
方面C6b：方面C5a或C5b或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH处于或超过铝、钛和磷酸根离子的溶解度极限，并且低于Fe2+离子的溶解度极限，从而沉淀铝、钛和含磷离子的至少一部分。
方面C7：方面C3-C6中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括沉淀氢氧化钛、氢氧化铝、磷酸铝和/或磷酸铁。
方面C8：方面C3-C7中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括移除沉淀的杂质的至少一部分。
方面C9：方面C1-C8中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH选自3至7(例如，3-6.5、3-6、3-5.5、3-5、3至小于7、3-6、3-5、3-4、4-7、4至小于7、4-6、4-5、5-7、5至小于7、5-6、6-7或6至小于7)的范围。
方面C10：方面C9或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH选自4至小于7(例如，4-6.5、4-5.5、4至小于7、4-6、4-5、5至小于7、5-6或6至小于7)的范围。
方面C11：方面C1-C10中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH还导致了由其他杂质的沉淀引起的胶态二氧化硅的凝结；所述方法还包括移除所述胶态二氧化硅的至少一部分。
方面C12：方面C1-C11中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中升高pH的步骤包括在所述富铁溶液存在下提供金属铁和/或铁氧化物材料；并且其中所述富铁溶液的移除部分与所提供的金属铁和/或铁氧化物材料之间的反应消耗所述富铁溶液中的质子，从而升高其pH。
方面C13：方面C12或任一前述方面的方法或系统，其中升高pH的步骤包括首先在所述富铁溶液存在下提供铁氧化物材料，并随后在所述富铁溶液存在下提供金属铁。
方面C14：方面C12或任一前述方面的方法或系统，其中升高所述富铁溶液的移除部分的pH还包括在所述富铁溶液的移除部分存在下在提供金属铁之前和/或同时在所述富铁溶液的移除部分存在下提供铁氧化物材料。
方面C15：方面C12-C14中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述铁氧化物材料包括磁铁矿。
方面C16：方面C12-C15中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所提供的铁氧化物材料包括热还原含铁矿石。
方面C17：方面C12-C16中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述金属铁是在第二电化学还原步骤过程中形成的Fe金属的一部分。
方面C18：前述方面中任一项的方法或系统，其中经处理的亚铁产物溶液的特征在于：
铝离子的浓度小于1mM或0.2M(例如，小于：0.2M、0.15M、0.12M、0.1M、80mM、60mM、50mM、20mM、10mM、5mM、1mM，任选地其中所述铝离子的浓度为0mM或为至少：0.15M、0.12M、0.1M、80mM、60mM、50mM、20mM、10mM、5mM、1mM，并且这些值中的每个可以以任何方式组合以形成范围，例如0-0.2M或1mM至0.1M)；和/或
含磷离子的浓度小于1mM或0.2M(例如，小于：0.2M、0.15M、0.12M、0.1M、80mM、60mM、50mM、20mM、10mM、5mM、1mM，任选地其中含磷离子的浓度为0mM或至少为：0.15M、0.12M、0.1M、80mM、60mM、50mM、20mM、10mM、5mM、1mM，并且这些值中的每个可以以任何方式组合以形成范围，例如0-0.2M或1mM至0.1M)。
方面C19：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二电化学电池包括在第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室、在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室、以及将所述第二阴极电解质与所述第二阳极电解质分开的第二隔件。
方面C20：方面C19或任一前述方面的方法或系统，其中将所述经处理的富铁溶液直接或间接地递送至所述第二阴极室。
方面C21：方面C20或任一前述方面的方法或系统，其中不将所述经处理的富铁溶液递送到所述第二阳极室。
方面C22：方面C20或C21或任一前述方面的方法或系统，包括将产生的富铁溶液的第二部分直接或间接地递送至所述第二阳极室；其中所述富铁溶液的第二部分未经处理或者经受与所述富铁溶液的第一部分不同的处理。
方面C23：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述富铁溶液包含胶态二氧化硅；并且其中处理步骤包括移除胶态二氧化硅的至少一部分。
方面C24：方面C23或任一前述方面的方法或系统，其中移除胶态二氧化硅包括胶态二氧化硅的至少一部分的絮凝以生成絮凝的胶态二氧化硅。
方面C25：方面C23或C24或任一前述方面的方法或系统，其中移除胶态二氧化硅的步骤包括向所述富铁溶液中加入聚环氧乙烷以促进胶态二氧化硅的絮凝，从而生成絮凝的胶态二氧化硅。
方面C26：方面C23-C25中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中通过过滤、沉降和/或任何固液分离工艺来移除胶态二氧化硅。
方面C27：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述经处理的富铁溶液的胶态二氧化硅含量小于或等于10mM(例如，小于或等于：10mM、8mM、6mM、5mM、4mM、2mM或1mM，任选地其中所述胶态二氧化硅含量为0mM或为至少8mM、6mM、5mM、4mM、2mM或1mM，并且这些值中的每个可以以任何方式组合以形成范围，例如0-10mM，或1-8mM)。
方面C28：前述方面中任一项的方法或系统，其中初始pH在0.5至1.5(例如，0.5-1、1-1.5、0.8-1.3或0.7-1.4)的范围内。
方面C29：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述富铁溶液的特征在于初始pH，并且其Fe2+离子的浓度高于Fe3+离子的浓度。
方面C30：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述富铁溶液的特征在于Fe3+离子与Fe2+离子的浓度比率小于或等于0.1(例如，小于或等于：0.1、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02、0.01或0.005，任选地其中所述比率为至少0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02、0.01或0.005，并且这些值中的每个均可以以任何方式组合以形成范围，例如0.005-0.1或0.02至0.08)。
方面C31：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述经处理的富铁溶液的pH在镀过程中降低。
方面C32：方面C31的方法或系统，其中在镀过程中，pH在2至6(例如，2-6、2-5、2-4、2-3、3-6、3-5、3-4、4-6或4-5)的范围内。
方面C33：前述方面中任一项的方法或系统，其中原料包括磁铁矿、赤铁矿、针铁矿或其任意组合。
方面C34：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述一种或多种杂质包括铝化合物、钛化合物、磷酸盐化合物、硅化合物或这些的任意组合。
方面C35：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述原料包含浓度选自1至50重量％(例如，以重量百分比计，1-50、1-45、1-40、1-35、1-30、1-25、1-20、1-15、1-10、1-5、5-50、5-45、5-40、5-35、5-30、5-25、5-20、5-15、5-10、10-50、10-45、10-40、10-35、10-30、10-25、20-50、20-40、20-30、30-50、30-40或40-50)的范围的一种或多种杂质。
方面C36：前述方面中任一项的方法或系统，包括对来自所述第二电化学电池的第二阳极电解质和/或第二阴极电解质进行第二处理步骤，以调节pH、改变成分和/或移除杂质。
方面C37：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二处理步骤在第二电化学还原步骤完成或关闭之后进行。
方面C38a：前述方面中任一项的方法或系统，其中移除的Fe金属的特征在于：
铝的浓度小于0.1重量％或小于0.5重量％(例如，以重量百分比计，铝小于0.5、0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01或0.005，任选地，其中以重量百分比计，为至少0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01或0.005，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.005-0.5或0.01至0.1)；和/或
磷离子的浓度小于0.01重量％或小于0.5重量％(任选地，以重量百分比计，磷小于0.5、0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01、0.008、0.006、0.005、0.002或0.001；任选地，其中以重量百分比计，为至少0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01、0.008、0.006、0.005、0.002、0.001或0.0005，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.0005-0.5或0.001至0.01)。
方面C38b：前述方面中任一项的方法或系统，其中移除的Fe金属的特征在于：
铝的浓度小于0.1重量％或小于0.5重量％(例如，以重量百分比计，铝小于0.5、0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01或0.005，任选地，其中以重量百分比计，为至少0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01或0.005，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.005-0.5或0.01至0.1)；和/或
磷离子的浓度小于0.01重量％或小于0.5重量％(任选地，以重量百分比计，磷小于0.5、0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01、0.008、0.006、0.005、0.002或0.001；任选地，其中以重量百分比计，为至少0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01、0.008、0.006、0.005、0.002、0.001或0.0005，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.0005-0.5或0.001至0.01)；和/或
锰离子的浓度小于1重量％或小于0.5重量％(任选地，以重量百分比计，锰小于0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01、0.008、0.006、0.005、0.002或0.001；任选地，其中以重量百分比计，为至少0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01、0.008、0.006、0.005、0.002、0.001或0.0005，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.0005-0.5或0.001-0.01)。
方面C39：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的成分。
方面C40：一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其具有第一溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述第一溶解罐；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阴极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第二阳极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及
镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及
第一杂质移除子系统；
其中：
所述第一溶解罐接收具有一种或多种含铁矿石和一种或多种杂质的原料；
所述第一溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述一种或多种含铁矿石的至少一部分，以在所述酸性铁盐溶液中生成溶解的第一Fe3+离子；
向所述第一阴极室提供具有所述第一Fe3+离子的至少一部分的所述酸性铁盐溶液的至少一部分；
所述第一Fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
在所述溶解子系统中形成富铁溶液，所述富铁溶液具有形成的Fe2+离子的至少一部分和所述一种或多种杂质的至少一部分；
向所述第一杂质移除子系统提供所述富铁溶液的至少一部分，以从所述富铁溶液中移除所述一种或多种杂质的至少一部分，从而形成具有所述形成的Fe2+离子的至少一部分的经处理的富铁溶液；
其中在所述第一杂质移除子系统中，将所述富铁溶液的pH从初始pH升高至经调节的pH，以沉淀所述一种或多种杂质的移除部分；
将所述经处理的富铁溶液的至少第一部分从所述第一杂质移除子系统递送至所述镀铁子系统；
所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的递送的Fe2+离子的至少一部分还原成Fe金属；以及
从所述第二电化学电池中移除Fe金属。
方面D1a：一种用于生产铁的方法，所述方法包括：
在第一溶解罐中，使第一含铁矿石与酸接触以溶解所述第一含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的第一Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
使所述酸性铁盐溶液的至少一部分在所述第一溶解罐和第一电化学电池的第一阴极室之间循环，从而向所述第一阴极室的第一阴极电解质提供所述第一Fe3+离子的至少一部分；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；
在所述第一阴极处第一电化学还原所述第一Fe3+离子的至少一部分，以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
在所述第一电化学电池中电化学生成质子；
其中所述循环步骤包括向所述酸性铁盐溶液提供电化学生成的质子的至少一部分和来自所述第一阴极电解质的形成的Fe2+离子的至少一部分；
在溶解子系统中产生具有所述形成的Fe2+离子的第一富铁溶液，所述溶解子系统包括第一溶解罐和第一电化学电池；
将所述第一富铁溶液的至少一部分转移到镀铁子系统，所述镀铁子系统包括第二电化学电池；
在所述第二电化学电池的第二阴极处，将所述形成的Fe2+离子的第一部分第二电化学还原成Fe金属；
其中所述第二电化学电池包括在第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室、在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第二隔件；以及
从所述第二电化学电池中移除Fe金属，从而生产铁。
方面D1b：一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其用于产生富铁溶液，其中所述溶解子系统包括第一溶解罐、第一电化学电池和第一循环子系统；其中：
在所述第一溶解罐中，使含铁矿石与酸接触以溶解所述含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
所述第一循环子系统在所述第一溶解罐和所述第一电化学电池的第一阴极室之间循环所述酸性铁盐溶液的至少一部分，从而向所述第一阴极室的第一阴极电解质提供第一Fe3+离子的至少一部分；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；
所述第一电化学电池在所述第一阴极处电化学还原所述第一Fe3+
离子的至少一部分以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
所述第一电化学电池电化学生成质子并将电化学生成的质子提供给所述阴极电解质；其中所述第一循环系统将来自所述第一阴极电解质的所述电化学生成的质子提供给所述酸性铁盐溶液；以及
在所述第一子系统中产生的所述富铁溶液包含形成的Fe2+离子；
过渡子系统，包括第一子系统间流体连接件，所述第一子系统间流体连接件用于将所述富铁溶液的至少一部分转移到镀铁子系统；
所述镀铁子系统包括第二电化学电池；
其中所述第二电化学电池包括在所述第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室、在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室、和在第二阴极存在下将所述第一阳极电解质与具有第二阴极电解质的所述第一阴极电解质分开的第二隔件；
其中将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分在所述第二阴极处电化学还原成Fe金属；以及
铁移除子系统，用于从所述第二电化学电池中移除Fe金属，从而生产铁。
方面D2：方面D1a或D1b或任一前述方面的方法或系统，包括在还原剂存在下热还原含铁矿石中的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料以形成磁铁矿，从而形成热还原矿石；其中所述第一溶解罐中的第一含铁矿石包括热还原矿石；并且其中溶解步骤包括使用酸溶解所述热还原矿石的至少一部分以形成酸性铁盐溶液。
方面D3：方面D2或任一前述方面的方法或系统，包括在溶解步骤过程中，将来自所述电化学电池的具有所述电化学生成的质子的阴极电解质的至少一部分提供给所述酸性铁盐溶液，从而在所述热还原矿石存在下将所述电化学生成的质子提供给所述酸性铁盐溶液。
方面D4：方面D3或任一前述方面的方法或系统，其中溶解步骤在溶解罐中进行；其中所述溶解罐和所述电化学电池是流体连接的；并且其中所述酸性铁盐溶液在所述溶解罐和所述电化学电池之间循环。
方面D5：方面D4或任一前述方面的方法或系统，其中在溶解步骤的至少一部分的过程中，所有的酸性铁盐溶液在所述溶解罐和所述电化学电池之间循环。
方面D6：方面D2-D5中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在溶解过程中，所述热还原矿石和所述酸性铁盐溶液之间的反应生成水，从而消耗所述酸性铁盐溶液的质子；并且其中所提供的电化学生成的质子替换所述酸性铁盐溶液中消耗的质子的至少一部分。
方面D7：方面D2-D6中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在溶解步骤的至少一部分的过程中，所述电化学生成的质子连续提供给所述酸性铁盐溶液。
方面D8：方面D2-D7中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述酸性铁盐溶液的特征在于在热还原矿石的溶解过程中，游离质子的稳态浓度为至少0.2M(例如，至少0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4或5M，任选地其中所述稳态游离质子浓度为小于0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4、5或6M，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.2-6M)。
方面D9：方面D8或任一前述方面的方法或系统，其中所述酸性铁盐溶液的特征在于游离质子的稳态浓度选自0.2M至3M的范围。
方面D10：方面D8或D9或任一前述方面的方法或系统，其中所述酸性铁盐溶液的特征在于稳态pH小于0.7(例如，等于或小于0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0、-0.1、-0.5或-1，任选地其中所述稳态pH为至少0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0、-0.1、-0.5或-1，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如-1至0.7或0.1至小于0.7)。
方面D11：前述方面中任一项的方法或系统，其中电化学生成电化学生成的质子的步骤包括在所述第一阳极处电化学氧化水。
方面D12：前述方面中任一项的方法或系统，其中提供电化学生成的质子的步骤包括将电化学生成的质子通过隔件从阳极电解质转移到阴极电解质。
方面D13：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述电化学电池的特征在于库仑效率大于80％(例如，大于：80％、85％、90％、95％或99％，任选地，其中所述库仑效率小于：85％、90％、95％、99％或100％，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如80-100％)。
方面D14：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述电化学生成的质子在所述第一阴极电解质中至少部分地形成酸。
方面D15：前述方面中任一项的方法或系统，包括从所述第一阴极电解质向所述第一阳极电解质提供水。
方面D16：方面D11-D15中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在所述第一阳极处氧化的水包括在溶解步骤过程中通过溶解所述含铁矿石生成的水。
方面D17：前述方面中任一项的方法或系统，包括通过经由所述第一隔件的渗透、膜蒸馏；和/或闪蒸将水从所述阴极电解质提供给所述阳极电解质。
方面D18：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述阳极电解质具有与所述阴极电解质不同的成分。
方面D19：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的pH。
方面D20：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阴极电解质具有比所述第一阳极电解质低的pH。
方面D21：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含与所述第一阴极电解质中的不同的溶解盐成分。
方面D22：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含一种或多种溶解的三价铁的铁盐；并且其中所述第一阳极电解质的特征在于所述一种或多种溶解的三价铁的铁盐的总浓度等于或大于所述第一阴极电解质中的总铁离子浓度。
方面D23：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阴极电解质包含一种或多种支持盐。
方面D24：方面D23或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阴极电解质包含浓度选自0.1至1M(例如，0.2至0.8M、0.4至0.6M、0.1至0.4M、0.4至0.8M或0.8至1M)的范围的一种或多种支持盐。
方面D25：方面D23或D24或任一前述方面的方法或系统，其中所述一种或多种支持盐包括一种或多种金属硫酸盐化合物和/或一种或多种金属氯化物化合物。
方面D26：方面D25或任一前述方面的方法或系统，其中所述一种或多种金属硫酸盐化合物包括硫酸钾、硫酸钠、硫酸铵、硫酸锂、氯化钾、氯化钠、氯化铵、氯化锂或这些的组合。
方面D27：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质的特征在于至少一个氧化还原对与所述第一阴极电解质中的不同。
方面D28：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含的溶解盐的总浓度比所述第一阴极电解质中的高。
方面D29：方面D1-D21和D23-D27中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含的溶解盐的总浓度比所述第一阴极电解质中的低。
方面D30：方面D1-D21和D23-D28中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述阳极电解质基本上不含Fe2+和Fe3+离子。
方面D31：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述阴极电解质的特征在于最大铁离子浓度选自0.5至5M或1至5M(例如，1-5M、1-4M、1-3M、0.5-5M、0.5-4M、2-4M、2-5M、1-2M)的范围。
方面D32：前述方面中任一项的方法或系统，包括在所述阳极处电化学生成氧(O2)。
方面D33：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质通过所述第一隔件离子连接到所述第一阴极电解质。
方面D34：方面D33或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质是流体断开的。
方面D35：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述隔件是离子交换膜。
方面D36：方面D35或任一前述方面的方法或系统，其中所述隔件是质子交换膜(PEM)。
方面D37：前述方面中任一项的方法或系统，其中产生的富铁溶液的特征在于总铁离子浓度选自0.5至5M或1至5M(例如，1至5M、1至4M、1至3M、0.5至5M、0.5至4M、2至4M、2至5M、1至2M)的范围。
方面D38：方面D2-D37中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中热还原步骤包括将含铁矿石的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料在选自200℃至600℃的范围的升高的温度(例如，200-550、200-500、200-450、200-400、200-350、200-300、200-250、250-600、250-550、250-500、250-400、300-600、300-550、300-500、300-450、300-400、350-600、350-550、350-500、350-450、400-600、400-550、400-500、450-600、450-550或500-600的温度(℃))下暴露于还原剂，从而将所述一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料的至少一部分转化为磁铁矿。
方面D39：方面D2-D38中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述还原剂包括H2气体；并且其中所述H2气体的至少一部分通过铁金属与酸的反应化学生成，和/或所述H2气体的至少一部分通过电镀铁过程的寄生析氢反应电化学生成。
方面D40：方面D38或任一前述方面的方法或系统，其中在热还原步骤过程中，将所述含铁矿石暴露于升高的温度并持续一段热处理时间，并且其中将所述含铁矿石在整个热处理时间期间暴露于还原剂。
方面D41：方面D38或任一前述方面的方法或系统，其中在热还原步骤过程中，将所述含铁矿石暴露于升高的温度并持续一段热处理时间，并且其中在部分热处理时间期间(例如，空气焙烧可以在温度上升过程中进行，或者在将含铁矿石暴露于200℃至600℃的升高的温度(例如，或本文其他地方指定的该200-600℃范围的任何温度范围)的初始部分时间进行)将所述含铁矿石暴露于还原剂，随后引入H2气体以从空气焙烧转换为热还原。
方面D42：方面D41或任一前述方面的方法或系统，包括通过将所述含铁矿石在热处理时间的初始部分期间暴露于空气来对所述含铁矿石进行空气焙烧。
方面D43：前述方面中任一项的方法或系统，还包括在空气存在下在选自200℃至600℃的范围的温度(例如，200-550、200-500、200-450、200-400、200-350、200-300、200-250、250-600、250-550、250-500、250-400、300-600、300-550、300-500、300-450、300-400、350-600、350-550、350-500、350-450、400-600、400-550、400-500、450-600、450-550或500-600的温度(℃))下对所述含铁矿石的至少一部分进行空气焙烧以形成经空气焙烧矿石。
方面D44：方面D43或任一前述方面的方法或系统，其中所述空气焙烧步骤在所述热还原步骤之前进行，或与所述热还原步骤分开进行，其中经空气焙烧矿石在空气焙烧之前没有进行热还原。
方面D45：方面D43或D44或任一前述方面的方法或系统，其中热还原步骤包括热还原经空气焙烧矿石以形成热还原矿石的至少一部分；其中经空气焙烧矿石包含一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料。
方面D46：方面D43、D44或D45或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解步骤包括同时和/或按顺序溶解所述经空气焙烧矿石的至少一部分和所述热还原矿石的至少一部分。
方面D47：方面D46或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解步骤包括对于所述溶解步骤的至少一部分，将所述经空气焙烧矿石的至少一部分溶解在与所述热还原矿石分开的溶解罐中。
方面D48：方面D43-D47中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解步骤包括溶解矿石混合物；其中所述矿石混合物包含0重量％至100重量％的热还原矿石、5重量％至100重量％的经焙烧矿石和0重量％至90重量％的经焙烧含磁铁矿矿石(方面A69中列出的每个范围的重量％范围在此同样适用于本方面D48中相应的重量％范围)。
方面D49：方面D43-D48中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解步骤包括在所述第一电化学电池和以下的至少一个之间循环溶解溶液：第一溶解罐、第二溶解罐和第三溶解罐；其中所述第一溶解罐包含所述热还原矿石的至少一部分，所述第二溶解罐包含经空气焙烧矿石，以及所述第三溶解罐包含含铁原矿石；其中所述原矿石是既未进行热还原也未进行空气焙烧的含铁矿石。
方面D50：方面D49或任一前述方面的方法或系统，其中所述循环步骤包括将所述溶解溶液循环总循环时间或总循环周期数；其中所述溶解溶液在所述电化学电池和第三溶解罐之间循环0至99％的总循环时间或总循环周期数；其中所述溶解溶液在所述电化学电池和所述第二溶解罐之间循环0至99％的总循环时间或总循环周期数；并且其中所述溶解溶液在所述电化学电池和所述第一溶解罐之间循环1至100％的总循环时间或总循环周期数(方面A71中列出的每个范围的％循环范围在此同样适用于本方面D50中相应的％循环范围)。
方面D51：方面D49或D50或任一前述方面的方法或系统，其中在所述循环步骤过程中，所述溶解溶液在所述电化学电池和以下的任意两个或任意三个之间以任意顺序依次循环和/或同时循环：第一溶解罐、第二溶解罐和第三溶解罐。
方面D52：方面D51或任一前述方面的方法或系统，其中所述循环步骤包括在所述电化学电池和具有原矿石的所述第三溶解罐之间对所述溶解溶液进行第一循环，然后在所述电化学电池和具有经空气焙烧矿石的所述第二溶解罐之间对所述溶解溶液进行第二循环，然后在所述电化学电池和具有热还原矿石的所述第一溶解罐之间对所述溶解溶液进行第三循环。
方面D53：方面D49-D52中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述溶解溶液是所述酸性铁盐溶液或包含所述酸性铁盐溶液。
方面D54：方面D43-D53中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在所述溶解步骤的任何部分的过程中，所述第一溶解罐还包含经空气焙烧矿石、原矿石或两者。
方面D55：方面D49-D54中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在所述溶解步骤的任何部分的过程中，所述第二溶解罐还包含热还原矿石、原矿石或两者。
方面D56：方面D49-D55中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中在所述溶解步骤的任何部分的过程中，所述第三溶解罐还包含经空气焙烧矿石、热还原矿石或两者。
方面D57：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述溶解步骤在至少一个溶解罐中进行；并且其中所述溶解步骤包括在所述热还原矿石存在下，将经空气焙烧矿石、原矿石或两者进一步引入到至少一个溶解罐中的酸性铁盐溶液中。
方面D58：方面D2-D57中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料包括赤铁矿和/或针铁矿。
方面D59：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述酸性铁盐溶液包含选自由盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、柠檬酸、草酸、硼酸、甲磺酸及其任意组合组成的组的酸。
方面D60：前述方面中任一项的方法或系统，其中转移形成的Fe2+离子的步骤包括从所述溶解子系统中移除所述富铁溶液的至少一部分，并将递送的富铁溶液递送至所述镀铁子系统；其中递送的富铁溶液包含移除的富铁溶液的至少一部分。
方面D61：方面D60或任一前述方面的方法或系统，其中递送的具有形成的Fe2+离子的富铁溶液的特征在于pH大于0.5(例如，大于：0.5、0.6、0.7、0.8、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5或6，任选地，其中所述pH小于：0.6、0.7、0.8、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5或6，并且这些pH可以以任何方式组合以形成范围，例如0.5-6)。
方面D62：方面D61或任一前述方面的方法或系统，其中递送的富铁溶液的特征在于pH大于或等于1。
方面D63：方面D62或任一前述方面的方法或系统，其中递送的富铁溶液的特征在于pH选自2至6的范围。
方面D64：方面D60-D63中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中递送的富铁溶液包含的Fe2+离子的浓度比Fe3+离子的浓度高。
方面D65：方面D60-D64中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中递送的富铁溶液的特征在于Fe3+离子与Fe2+离子的浓度比率小于或等于0.01(例如，小于或等于0.01、0.0075、0.005、0.0025或0.001，任选地，其中所述比率可以大于或等于0.0075、0.005、0.0025、0.001，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.001-0.01)。
方面D66：方面D60-D65中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中将递送的富铁溶液直接或间接地递送至第二阴极室；其中所述第二电化学电池包括在所述第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室。
方面D67：方面D66或任一前述方面的方法或系统，其中将递送的富铁溶液的至少70％(例如，至少：70％、75％、80％、85％、90％、95％、99％或100％，任选地，其中这样的值小于75％、80％、85％、90％、95％、99％或100％，并且可以以任何方式组合以形成范围，例如70-99％)直接或间接地递送至第二阴极室。
方面D68：方面D67或任一前述方面的方法或系统，其中将递送的富铁溶液的至少90％直接或间接地递送至第二阴极室。
方面D69：方面D60-D68中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中第二电化学还原步骤形成废第二阴极电解质，所述废第二阴极电解质具有比所递送的富铁溶液低的铁离子浓度；其中将所述废第二阴极电解质的至少一部分提供给所述第二阳极室；其中所述第二电化学电池包括在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室。
方面D70：方面D69或任一前述方面的方法或系统，其中当第二电化学还原步骤完成或关闭时，形成所述废第二阴极电解质。
方面D71：方面D68或D69或任一前述方面的方法或系统，其中所述废第二阴极电解质的特征在于铁离子的浓度为递送的富铁溶液中的铁离子的浓度的60％至70％(例如，62-68％、64-66％、60-65％或65-70％)。
方面D72：方面D69或任一前述方面的方法或系统，其中当所述第二阴极电解质中的铁离子的浓度降低至递送的富铁溶液中的铁离子的浓度的60％至70％(例如，62-68％、64-66％、60-65％或65-70％)时，第二电化学还原步骤完成或关闭。
方面D73：方面D60-D72中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中将递送的富铁溶液的第一部分直接或间接地递送至第二阴极室；其中将递送的富铁溶液的第二部分直接或间接地递送至第二阳极室；并且其中所述第二电化学电池包括在第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室，并且所述第二电化学电池包括在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室。
方面D74：方面D73或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一部分是25体积％至45体积％(例如，30-40体积％、32-38体积％、25-35体积％或35-45体积％)的递送的富铁溶液，并且所述第二部分是55体积％至75体积％(例如，60-70体积％、62-68体积％、55-65体积％或65-75体积％)的递送的富铁溶液。
方面D75：方面D73或D74或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一部分包含递送的富铁溶液的25摩尔％到45摩尔％(例如30-40摩尔％、32-38摩尔％、25-35摩尔％或35-45摩尔％)的Fe2+，并且所述第二部分包含递送的富铁溶液的55摩尔％到75摩尔％(例如60-70摩尔％、62-68摩尔％、55-65摩尔％或65-75摩尔％)的Fe2+。
方面D76：方面D60-D75中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中转移步骤还包括在递送步骤之前处理所述富铁溶液的移除部分，从而形成经处理的富铁溶液；并且其中递送的富铁溶液包含所述经处理的富铁溶液的至少一部分。
方面D77：方面D76或任一前述方面的方法或系统，其中所述处理步骤包括：升高所述富铁溶液的移除部分的pH。
方面D78：方面D76或D77或任一前述方面的方法或系统，其中所述处理步骤包括通过在所述富铁溶液的移除部分存在下提供金属铁来升高所述富铁溶液的移除部分的pH；并且其中所述富铁溶液的移除部分和所提供的金属铁之间的反应消耗了所述富铁溶液的移除部分中的质子。
方面D79：方面D78或任一前述方面的方法或系统，其中升高所述富铁溶液的移除部分的pH还包括在所述富铁溶液的移除部分存在下在提供金属铁之前和/或同时在所述富铁溶液的移除部分存在下提供磁铁矿。
方面D80：方面D78或D79或任一前述方面的方法或系统，其中所述富铁溶液的移除部分和所提供的金属铁之间的反应化学生成H2气体；并且其中所述方法还包括收集化学产生的H2气体。
方面D81：方面D76-D80中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述经处理的亚铁溶液具有选自2至小于7(例如，2-4、4-6、6至小于7、3至小于7、3-6或4-5)的范围的pH。
方面D82：方面D76或任一前述方面的方法或系统，其中所述原料包含一种或多种杂质；其中产生的富铁溶液包含所述一种或多种杂质的至少一部分；其中升高pH包括将所述富铁溶液的移除部分的pH从初始pH升高到经调节的pH，从而沉淀所述富铁溶液中的所述一种或多种杂质的至少一部分，以形成经处理的富铁溶液；其中与产生的富铁溶液相比，经处理的富铁溶解液(dissolution)具有降低浓度的一种或多种杂质。
方面D83：方面D82或任一前述方面的方法或系统，其中溶解所述含铁矿石的至少一部分生成不可溶性杂质；并且其中所述方法还包括分离和移除所述不可溶性杂质的至少一部分。
方面D84：方面D83或任一前述方面的方法或系统，其中通过过滤出和/或分离出所述不可溶性杂质来移除所述不可溶性杂质的至少一部分。
方面D85：方面D83或D84或任一前述方面的方法或系统，其中所述不可溶性杂质包括石英、石膏和这些的任意组合。
方面D86：方面D82-D85中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH处于或超过所述一种或多种杂质的溶解度极限，并且低于Fe2+离子的溶解度极限，从而沉淀所述一种或多种杂质的至少一部分。
方面D87：方面D86或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH处于或超过铝、钛和磷酸根离子的溶解度极限，并且低于Fe2+离子的的溶解度极限，从而沉淀铝、钛和含磷离子的至少一部分。
方面D88：方面D82-D87中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH处于或大于一种或多种杂质的沉淀pH，并且低于Fe2+离子的沉淀pH，从而沉淀所述一种或多种杂质的至少一部分。
方面D89：方面D88或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH处于或大于铝、钛和磷酸根离子的沉淀pH，并且低于Fe2+离子的沉淀pH，从而沉淀铝、钛和含磷离子的至少一部分。
方面D90：方面D86-D89中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括沉淀氢氧化钛、氢氧化铝、磷酸铝和/或磷酸铁。
方面D91：方面D86-D90中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括移除沉淀的杂质的至少一部分。
方面D92：方面D82-D91中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH选自3至7或3至小于7(例如，3-6.5、3-6、3-5、3-4、3-7、3至小于7、4-7、4至小于7、4-6、4-5、5-7、5至小于7、5-6、6-7、或6至小于7)的范围。
方面D93：方面D92或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH选自4至小于7的范围。
方面D94：方面D82-D93中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述经调节的pH还导致了由其他杂质的沉淀引起的胶态二氧化硅的凝结；所述方法还包括移除所述胶态二氧化硅的至少一部分。
方面D95：方面D82-D94中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中升高pH的步骤包括在所述富铁溶液存在下提供金属铁和/或铁氧化物材料；并且其中所述富铁溶液的移除部分与所提供的金属铁和/或铁氧化物材料之间的反应消耗所述富铁溶液中的质子，从而升高其pH。
方面D96：方面D95或任一前述方面的方法或系统，其中升高pH的步骤包括首先在所述富铁溶液存在下提供铁氧化物材料，并随后在所述富铁溶液存在下提供金属铁。
方面D97：方面D95或任一前述方面的方法或系统，其中升高所述富铁溶液的移除部分的pH还包括在所述富铁溶液的移除部分存在下在提供金属铁之前和/或同时在所述富铁溶液的移除部分存在下提供铁氧化物材料。
方面D98：方面D95-D97中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述铁氧化物材料包括磁铁矿。
方面D99：方面D95-D98中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所提供的铁氧化物材料包括热还原含铁矿石。
方面D100：方面D95-D99中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述金属铁是在第二电化学还原步骤过程中形成的Fe金属的一部分。
方面D101：方面D82-D100中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中经处理的亚铁产物溶液的特征在于：
铝离子的浓度小于1mM或0.2M(例如，小于：0.2M、0.15M、0.12M、0.1M、80mM、60mM、50mM、20mM、10mM、5mM、1mM，任选地其中所述铝离子的浓度为0mM或为至少：0.15M、0.12M、0.1M、80mM、60mM、50mM、20mM、10mM、5mM、1mM，并且这些值中的每个可以以任何方式组合以形成范围，例如0-0.2M或1mM至0.1M)；和/或
含磷离子的浓度小于1mM或0.2M(例如，小于：0.2M、0.15M、0.12M、0.1M、80mM、60mM、50mM、20mM、10mM、5mM、1mM，任选地其中含磷离子的浓度为0mM或至少为：0.15M、0.12M、0.1M、80mM、60mM、50mM、20mM、10mM、5mM、1mM，并且这些值中的每个可以以任何方式组合形成范围，例如0-0.2M或1mM至0.1M)。
方面D102：方面D82-D101中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中将所述经处理的富铁溶液直接或间接地递送至所述第二阴极室。
方面D103：方面D102或任一前述方面的方法或系统，其中不将所述经处理的富铁溶液递送至所述第二阳极室。
方面D104：方面D102或D103或任一前述方面的方法或系统，包括将产生的富铁溶液的第二部分直接或间接地递送至所述第二阳极室；其中所述富铁溶液的第二部分未经处理或者经受与所述富铁溶液的第一部分不同的处理。
方面D105：方面D82-D104中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述富铁溶液包含胶态二氧化硅；并且其中处理步骤包括移除胶态二氧化硅的至少一部分。
方面D106：方面D105或任一前述方面的方法或系统，其中移除胶态二氧化硅包括胶态二氧化硅的至少一部分的絮凝以生成絮凝的胶态二氧化硅。
方面D107：方面D105或D106或任一前述方面的方法或系统，其中移除胶态二氧化硅的步骤包括向所述富铁溶液中加入聚环氧乙烷以促进胶态二氧化硅的絮凝，从而生成絮凝的胶态二氧化硅。
方面D108：方面D105-D107中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中通过过滤、沉降和/或任何固液分离工艺来移除胶态二氧化硅。
方面D109：方面D82-D108中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述经处理的富铁溶液的胶态二氧化硅含量小于或等于10mM(例如，小于或等于：10mM、8mM、6mM、5mM、4mM、2mM或1mM，任选地其中所述胶态二氧化硅含量为0mM或为至少8mM、6mM、5mM、4mM、2mM或1mM，并且这些值中的每个可以以任何方式组合以形成范围，例如0-10mM，或1-8mM)。
方面D110：方面D82-D109中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中初始pH在0.5至1.5(例如，0.5-1、1-1.5、0.8-1.3或0.7-1.4)的范围内。
方面D111：方面D82-D110中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中富铁溶液的特征在于初始pH，并且其Fe2+离子的浓度高于Fe3+离子的浓度。
方面D112：方面D82-D111中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述一种或多种杂质包括铝化合物、钛化合物、磷酸盐化合物或这些的任意组合。
方面D113：方面D82-D112中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述原料包含浓度选自1至50重量％(例如，以重量百分比计，1-50、1-45、1-40、1-35、1-30、1-25、1-20、1-15、1-10、1-5、5-50、5-45、5-40、5-35、5-30、5-25、5-20、5-15、5-10、10-50、10-45、10-40、10-35、10-30、10-25、20-50、20-40、20-30、30-50、30-40或40-50)的范围的一种或多种杂质。
方面D114：方面D82-D113中任一项或任一前述方面的方法或系统，包括对来自所述第二电化学电池的第二阳极电解质和/或第二阴极电解质进行第二处理步骤，以调节pH、改变成分和/或移除杂质。
方面D115：方面D82-D114中任一项或任一前述方面的方法或系统，其中所述第二处理步骤在第二电化学还原步骤完成或关闭之后进行。
方面D116：前述方面中任一项的方法或系统，其中移除的Fe金属的特征在于：
铝的浓度小于0.1重量％或小于0.5重量％(例如，以重量百分比计，铝小于0.5、0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01或0.005，任选地，其中以重量百分比计，为至少0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01或0.005，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.005-0.5或0.01至0.1)；和/或
磷离子的浓度小于0.02重量％或小于0.5重量％(例如，以重量百分比计，磷小于0.5、0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01、0.008、0.006、0.005、0.002或0.001；任选地，其中，以重量百分比计，为至少0.2、0.1、0.08、0.06、0.05、0.02、0.01、0.008、0.006、0.005、0.002、0.001或0.0005，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.0005-0.5或0.001至0.01)。
方面D117：前述方面中任一项的方法或系统，包括电化学氧化Fe2+离子以在所述第二阳极电解质中形成第二Fe3+离子。
方面D118：前述方面中任一项的方法或系统，包括将第一再循环溶液从所述镀铁子系统再循环至所述溶解子系统；其中所述再循环溶液包含在所述第二阳极电解质中形成的第二Fe3+离子。
方面D119：方面D118或任一前述方面的方法或系统，其中再循环步骤在第二电化学还原步骤完成或关闭之后进行。
方面D120：方面D118或D119或任一前述方面的方法或系统，其中将所述第一再循环溶液提供给所述第一溶解罐；其中溶解步骤在包含所述含铁矿石和所述酸性铁盐溶液的第一溶解罐中进行。
方面D121：方面D118、D119或D120或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一再循环溶液包含来自所述第二电化学电池的第二阴极电解质和第二阳极电解质的至少一部分。
方面D122：前述方面中任一项的方法或系统，其中当所述第二电化学电池的第二阴极电解质的特征在于铁离子的总浓度为(i)递送的富铁溶液或(ii)产生的富铁溶液中的铁离子的浓度的60％至70％(任选地，62-68％、64-66％、60-65％或65-70％)时，第二次电化学还原步骤完成或关闭。
方面D123：任一前述方面。
方面D124：任一前述方面。
方面D125：前述方面中任一项的方法或系统，其中当在所述第二电化学电池的第二阴极上形成的Fe金属的平均厚度选自1mm至10mm(例如，1-10、1-8、1-6、1-4、1-2、2-10、2-8、2-6、2-4、4-10、4-8、4-6、6-10、6-8或8-10的平均厚度(mm))的范围时，第二电化学还原步骤完成或关闭。
方面D126：任一前述方面。
方面D127：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述镀铁子系统包括第一循环罐，其配置为在所述第二电化学电池的第二阴极室和所述第一循环罐之间循环第二阴极电解质；并且其中所述镀铁子系统包括第二循环罐，其配置为在所述第二电化学电池的第二阳极室和所述第二循环罐之间循环第二阳极电解质。
方面D128：方面D127或任一前述方面的方法或系统，其中将间接地递送到第二阴极室的富铁溶液递送到所述第一循环罐。
方面D129：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二隔件是PEM或阴离子交换膜(AEM)或微孔隔件。
方面D130：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一电化学电池在不同于所述第二电化学电池的电流密度下运行。
方面D131：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一电化学电池在不同于所述第二电化学电池的电流密度下同时运行。
方面D132：方面D130或D131或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一电化学电池在比所述第二电化学电池高的电流密度下运行。
方面D133：方面D130、D131或D132或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一电化学电池在选自0.1至2A/cm2的范围的电流密度(例如，0.1-2、0.1-1.5、0.1-1、0.1-0.5、0.5-2、0.5-1.5、0.5-1、1-2、1-1.5或1.5-2的电流密度(A/cm2))下运行，并且所述第二电化学电池在选自20至300mA/cm2的范围的电流密度(例如，20-300、20-250、20-200、20-150、20-100、20-50、50-300、50-250、50-200、50-150、50-100、100-300、100-250、100-200、100-150、150-300、150-250、150-200、200-300、200-250、或250-300的电流密度(A/cm2))下运行。
方面D134：前述方面中任一项的方法或系统，包括重复所述方法至少5个循环(例如，至少：5、6、7、8、9、10、15、20、30、50或100个循环，任选地其中所述循环少于：6、7、8、9、10、15、20、30、50、100或150，并且这些值中的每个可以以任何方式组合以形成范围，例如5-150)。
方面D135：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述原料包括赤铁矿、磁赤铁矿、水铁矿、磁铁矿、针铁矿、正方针铁矿、纤铁矿、六方纤铁矿或这些的任意组合。
方面D136：前述方面中任一项的方法或系统，包括生成H2气体和收集所生成的H2气体。
方面D137：方面D39、D80或D136或任一前述方面的方法或系统，其中所收集的H2气体的至少一部分进行氧化并在热还原含铁矿石的过程中用作还原剂。
方面D138：前述方面中任一项的方法或系统，包括电控制所述第一电化学电池以防止在所述第一阴极处的Fe金属电镀。
方面D139：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二电化学电池在选自40℃至80℃(例如，45-75℃、50-70℃、55-65℃、40-55℃、55-70℃、40-70℃或50-80℃)的范围的温度下运行。
方面D140：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二电化学电池包括第二阴极电解质和第二阳极电解质；并且其中所述第二阳极电解质具有比所述第二阴极电解质低的pH。
方面D141：方面D140或任一前述方面的方法或系统，其中所述第二阳极电解质的pH小于Fe(III)(OH)2的溶解度极限的pH。
方面D142：方面D140或D141或任一前述方面的方法或系统，其中在第二电化学还原步骤过程中，所述第二阴极电解质具有小于6的pH。
方面D143：前述方面中任一项的方法或系统，其中所移除的Fe金属包含至少99重量％的Fe(例如，至少：99重量％、至少99.5重量％、至少99.9重量％、或100重量％)。.
方面D144：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极具有包含铅、铅氧化物、锰氧化物、混合的金属氧化物、铱氧化物、钌氧化物或这些的任意组合的组合物。
方面D145：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阴极具有包含碳、石墨、钛或这些的任意组合的组合物。
方面D146：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二阳极具有包含碳、石墨、铅、铅氧化物、混合的金属氧化物或这些的任意组合的组合物。
方面D147：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二阴极具有包含钢、低碳钢、不锈钢、铜、铜合金或这些的任意组合的组合物。
方面D148：前述方面中任一项的方法或系统，其中移除铁金属的步骤包括(a)在第二电化学还原步骤过程中从所述第二阴极刮除铁金属，以及(b)收集刮除的铁金属。
方面D149：前述方面中任一项的方法或系统，包括向所述方法的一个或多个步骤提供电能输入；并且其中所述电能输入的至少一部分来自可再生能源。
方面D150：前述方面中任一项的方法或系统，包括炼钢步骤；其中所述炼钢步骤包括在碳源存在下，在足以将电镀的铁金属转化成钢的温度下，将移除的电镀的铁金属在炉中加热。
方面D151：方面D150或任一前述方面的方法或系统，其中所述炉是电弧炉、感应炉或能够达到足以将电镀的铁金属转化成钢的温度的任何其他炉。
方面D152：前述方面中任一项的方法或系统，包括以放电模式运行所述第二电化学电池，所述放电模式包括氧化所述第二电化学电池中的电镀Fe金属；其中所述方法还包括将在所述第二电化学电池的放电模式过程中产生的电能供应给电网。
方面D153：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第二电化学还原步骤是电镀铁反应。
方面D154：一种用于生产铁的系统，所述系统包括：
溶解子系统，其用于产生富铁溶液，其中所述溶解子系统包括第一溶解罐、第一电化学电池和第一循环子系统；其中：
在所述第一溶解罐中，使含铁矿石与酸接触以溶解所述含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
所述第一循环子系统在所述第一溶解罐和所述第一电化学电池的第一阴极室之间循环所述酸性铁盐溶液的至少一部分，从而向所述第一阴极室的第一阴极电解质提供第一Fe3+离子的至少一部分；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；
所述第一电化学电池在所述第一阴极处电化学还原所述第一Fe3+离子的至少一部分以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
所述第一电化学电池电化学生成质子并将电化学生成的质子提供给所述阴极电解质；其中所述第一循环系统将来自所述第一阴极电解质的所述电化学生成的质子提供给所述酸性铁盐溶液；以及
在所述第一子系统中产生的所述富铁溶液包含形成的Fe2+离子；
过渡子系统，包括第一子系统间流体连接件，所述第一子系统间流体连接件用于将所述富铁溶液的至少一部分转移到镀铁子系统；
所述镀铁子系统包括第二电化学电池；
其中所述第二电化学电池包括在所述第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室、在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室、和在第二阴极存在下将所述第一阳极电解质与具有第二阴极电解质的所述第一阴极电解质分开的第二隔件；
其中将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分在所述第二阴极处电化学还原成Fe金属；以及
铁移除子系统，用于从所述第二电化学电池中移除Fe金属，从而生产铁。
方面D155：方面D154或任一前述方面的方法或系统，其中质子在所述第一阳极电解质中电化学生成并提供给所述第一阴极电解质。
方面D156：方面D154或D155或任一前述方面的方法或系统，其中在所述含铁矿石存在下，所述溶解罐中的酸性铁盐溶液的特征在于游离质子的稳态浓度为至少0.2M(任选地，例如，至少0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4或5M，任选地，其中所述稳态游离质子浓度小于0.3、0.4、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2、3、4、5或6M，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如0.2-6M)，和/或其特征在于稳态pH等于或小于0.7(例如等于或小于0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0、-0.1、-0.5或-1，任选地，其中所述稳态pH为至少0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0、-0.1、-0.5或-1，并且这些值可以以任何方式组合以形成范围，例如-1至0.7)。
方面D157：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质包含水或水性盐溶液；并且其中水在所述第一阳极处电化学氧化以在所述第一阳极电解质中产生质子；并且其中产生的质子通过所述隔件输送到所述第一阴极电解质。
方面D158：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的成分。
方面D159：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述第一含铁矿石包括具有磁铁矿的热还原矿石。
方面D160：方面D159或任一前述方面的方法或系统，还包括热还原子系统，其配置为通过在还原剂存在下并在选自200℃至600℃的范围的升高的温度(例如，200-550、200-500、200-450、200-400、200-350、200-300、200-250、250-600、250-550、250-500、250-400、300-600、300-550、300-500、300-450、300-400、350-600、350-550、350-500、350-450、400-600、400-550、400-500、450-600、450-550或500-600的温度(℃))下将非磁铁矿材料转化成磁铁矿来形成热还原矿石；其中将所述热还原矿石从所述热还原子系统提供给所述第一溶解罐。
方面D161：方面D160或任一前述方面的方法或系统，包括空气焙烧子系统，其配置为通过在空气存在下并在选自200℃至600℃的范围的升高的温度(例如，200-550、200-500、200-450、200-400、200-350、200-300、200-250、250-600、250-550、250-500、250-400、300-600、300-550、300-500、300-450、300-400、350-600、350-550、350-500、350-450、400-600、400-550、400-500、450-600、450-550或500-600的温度(℃))下对所述含铁矿石进行空气焙烧来形成经空气焙烧矿石。
方面D162：方面D161或任一前述方面的方法或系统，其中所述空气焙烧子系统和所述热还原子系统是同一个。
方面D163：前述方面中任一项的方法或系统，包括具有经空气焙烧矿石的第二溶解罐；其中所述经空气焙烧矿石是未进行热还原的含铁矿石，并且其已经在选自200℃至600℃的范围的升高的温度(例如，200-550、200-500、200-450、200-400、200-350、200-300、200-250、250-600、250-550、250-500、250-400、300-600、300-550、300-500、300-450、300-400、350-600、350-550、350-500、350-450、400-600、400-550、400-500、450-600、450-550或500-600的温度(℃))下暴露于空气；
其中在包含溶解的Fe3+离子的第二酸性铁盐溶液存在下，在所述第二溶解罐中发生经空气焙烧矿石的溶解；
其中所述系统还包括第二循环子系统，其将所述第二酸性铁盐溶液的至少一部分从所述第二溶解罐循环至所述阴极室，并将所述阴极电解质的至少一部分从所述电化学电池循环至所述第二溶解罐；以及
其中来自所述第二酸性铁盐溶液的Fe3+离子的至少一部分在所述阴极处电化学还原成所述阴极电解质中的Fe2+离子，从而消耗来自所述第二酸性铁盐溶液的Fe3+离子。
方面D164：前述方面中任一项的方法或系统，包括具有原矿石的第三溶解罐；其中所述原矿石是既未进行热还原也未进行空气焙烧的含铁矿石；
其中在包含溶解的Fe3+离子的第三酸性铁盐溶液存在下，在所述第三溶解罐中发生经空气焙烧矿石的溶解；
其中所述系统还包括第三循环子系统，其将所述第三酸性铁盐溶液的至少一部分从所述第三溶解罐循环至所述阴极室，并将所述阴极电解质的至少一部分从所述电化学电池循环至所述第三溶解罐；以及
其中来自所述第三酸性铁盐溶液的Fe3+离子的至少一部分在所述阴极处电化学还原成所述阴极电解质中的Fe2+离子，从而消耗来自所述第三酸性铁盐溶液的Fe3+离子。
方面D165：前述方面中任一项的方法或系统，其中产生的富铁溶液具有浓度选自1M至4M(例如，1-3.5、1-3、1-2.5、1-2、1-1.5、1.5-4、1.5-3.5、1.5-3、1.5-2.5、1.5-2、2-4、2-3.5、2-3、2-2.5、2.5-4、2.5-3.5、2.5-3、3-4或3-3.5)的范围的铁离子。
方面D166：前述方面中任一项的方法或系统，其中在所述第二阳极电解质中将Fe2+离子氧化成Fe3+离子。
方面D167：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述过渡子系统移除产生的富铁溶液的至少一部分，并处理所述富铁溶液的移除部分，从而形成经处理的富铁溶液。
方面D168：前述方面中任一项的方法或系统，包括废电解质再循环系统，所述废电解质再循环系统配置为将第一再循环溶液从所述第二电化学电池再循环至所述溶解子系统。
方面D169：方面D168或任一前述方面的方法或系统，其中所述第一再循环溶液包含所述第二阳极电解质的至少一部分和所述第二阴极电解质的至少一部分。
方面D170：方面D169或任一前述方面的方法或系统，其中在形成的Fe2+离子至Fe金属的还原完成或关闭之后，通过混合所述第二阳极电解质的至少一部分和所述第二阴极电解质的至少一部分来形成所述第一再循环溶液。
方面D171：前述方面中任一项的方法或系统，其中所述过渡子系统包括第一杂质移除子系统，所述第一杂质移除子系统配置为从所述富铁溶液中移除所述一种或多种杂质的至少一部分，从而形成具有形成的Fe2+离子的至少一部分的经处理的富铁溶液；其中在所述第一杂质移除子系统中，所述富铁溶液的pH从初始pH升高至经调节的pH，以沉淀一种或多种杂质的移除部分。
方面D172：以上或以下方面中任一项的方法或系统，其中当所述酸性铁盐溶液中的质子浓度(任选地，稳态质子浓度)等于或小于0.4M(任选地0.3M、任选地0.2M、任选地0.1M)(任选地，在所述溶解步骤进行的大部分时间高于该阈值之后)时，所述溶解步骤终止。
方面D173：上述方面中任一项的方法或系统，其中当所述第一阴极电解质中、所述酸性铁盐溶液中和/或所述产生的富铁溶液中的总铁离子浓度达到期望的最大值(任选地，稳态值)时，所述溶解步骤终止，所述最大值为1M、任选地2M、任选地3M、任选地4M、任选地包括1M和4M的1M至4M的任何值或范围。
关于通过引用的并入和变化的声明
贯穿本申请的所有参考文献，例如专利文件，包括已获准或授予的专利或等同物；专利申请公布；和非专利文献文件或其他来源材料；在每个参考文献至少部分地与本申请中的公开内容不矛盾的程度上，通过引用将其全部内容并入本文，如同通过引用单独并入本文一样(例如，通过引用将除了参考文献中部分矛盾的部分以外的部分矛盾的参考文献并入)。
本文使用的术语和表述仅用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表述时无意排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物，但应当认识到，在任何具体要求保护的本发明的范围内可以进行多种修改。因此，应当理解，虽然本发明已经通过优选实施方案、示例性实施方案和任选的特征进行了具体公开，但是本领域技术人员可以对本文公开的构思进行修改和变化，并且这些修改和变化视为是在由所附权利要求限定的本发明的范围内。本文提供的具体实施方案是本发明的有用实施方案的实施例，并且对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以使用在本说明书中所描述的装置、装置组件、方法步骤的大量变体来实施本发明。对于本领域技术人员来说显而易见的是，方法和可用于本方法的装置可以包括大量任选的成分和处理元件和步骤。
如本文和所附权利要求中使用的，单数形式的不定冠词(“a”,“an”)和定冠词(“the”)包括复数的所指物，除非上下文另有明确说明。因此，例如，提及“电池(cell)”包括本领域技术人员已知的多个这样的电池及其等同物。同样，术语单数形式的不定冠词(“a”(或“an”))、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以互换使用。还应注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以互换使用。表述“权利要求XX-YY中任一项的”(其中XX和YY指权利要求编号)旨在以替代形式提供多项从属权利要求，并且在一些实施方案中可与表述“如权利要求XX-YY中任一项”互换。
当本文公开一组取代基时，应当理解，该组的所有单个成员和所有亚组，包括矿石的铁氧化物材料或该组成员的结构和组成的多晶型物，均单独公开。当本文使用马库什组或其他分组时，该组的所有单个成员以及该组的所有可能的组合和子组合都旨在单独地包括在本公开中。当在本文中描述化合物而未指定该化合物的具体的异构体、对映异构体或非对映异构体时，例如，在化学式或化学名称中，该描述旨在包括单独的所描述的化合物的每个异构体和对映异构体或其任意组合。此外，除非另有说明，本公开旨在涵盖本文公开的化合物的所有同位素变体。例如，应当理解，所公开的分子中的任何一个或多个氢可以用氘或氚替代。分子的同位素变体通常可用作分子的测定和与分子或其用途相关的化学和生物学研究中的标准。制备此类同位素变体的方法是本领域已知的。化合物的具体名称旨在是示例性的，因为已知本领域普通技术人员可以以不同方式命名相同的化合物。
关于本文化合物的盐，本领域普通技术人员可以从多种可用的抗衡离子中选择适合于制备用于给定应用的本发明的盐的那些。在具体应用中，用于制备盐的给定的阴离子或阳离子的选择可导致该盐的溶解度的增加或降低。
除非另有说明，本文描述或举例的每个装置、系统、子系统、方法、过程、组件和/或组件的组合都可以用于实施任何要求保护的发明。
每当说明书(specification)中给出范围，例如温度范围、时间范围、成分范围或浓度范围时，所有中间范围和子范围，以及包括在给定范围中的所有单个值都包括在本公开中。应当理解，在本文说明书中包括的范围或子范围中的任何子范围或单个值可以从本文的权利要求中排除。
本说明书(specification)中提及的所有专利和出版物都表明了所公开的装置、系统、方法和工艺所属领域的技术人员的技术水平。本文引用的参考文献通过引用将其全部内容并入本文，以表明其出版或提交日期的现有技术，并且如果需要，该信息可以在本文中使用，以排除现有技术中的具体实施方案。例如，当要求保护物质的成分时，应当理解，在申请人的发明之前本领域已知的和可获得的化合物，包括在本文引用的参考文献中提供的授权公开的化合物，不旨在包括在本文的物质权利要求的成分中。
如本文所用，“包括”与“包含”、“含有”或“特征在于”同义，并且是包容性的或开放式的，并且不排除额外的、未列举的要素或方法步骤。如本文所用，“由……组成”排除权利要求要素中未指定的任何要素、步骤或组分。如本文所用，“基本由……组成”不排除不会实质影响权利要求的基本的和新颖性特征的材料或步骤。在本文的每种情况中，术语“包括”、“基本由……组成”和“由……组成”中的任何一个都可以用其他两个术语中的任意一个来代替。本文示例性描述的要求保护的发明可以在没有本文未具体公开的任何要素或多个要素、限制或多个限制的情况下实施。
本领域的普通技术人员将认识到，可以在要求保护的发明的实施中使用除了具体例举的那些之外的起始材料、试剂、合成方法、纯化方法、分析方法、测定方法，而无需过度实验。任何此类材料和方法的所有本领域已知的功能等同物都旨在包括在这些发明中。
在说明书和权利要求书中，术语“和/或”在本文中用于指出现术语“和/或”的列表中的仅单个要素、或要素的任意组合。换句话说，具有术语“和/或”的两个或更多个要素的列表旨在涵盖仅具有任何单个要素的实施方案、或具有所列要素的任意组合的实施方案。例如，短语“要素A和/或要素B”旨在涵盖仅具有要素A的实施方案、仅具有要素B的实施方案、或要素A和要素B组合在一起的实施方案。例如，短语“要素A、要素B和/或要素C”旨在涵盖仅具有要素A的实施方案、仅具有要素B的实施方案、仅具有要素C的实施方案、要素A和要素B组合在一起的实施方案、要素A和要素C组合在一起的实施方案、要素B和要素C组合在一起的实施方案、或要素A、要素B和要素C组合在一起的实施方案。
Claims (168)
1.一种用于生产铁的方法，所述方法包括：
在第一溶解罐中，使第一含铁矿石与酸接触以溶解所述第一含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的第一Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
使所述酸性铁盐溶液的至少一部分在所述第一溶解罐和第一电化学电池的第一阴极室之间循环，从而向所述第一阴极室的第一阴极电解质提供所述第一Fe3+离子的至少一部分；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有所述第一阴极电解质的所述第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；
在所述第一阴极处第一电化学还原所述第一Fe3+离子的至少一部分，以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
在所述第一电化学电池中电化学生成质子；
其中所述循环步骤包括向所述酸性铁盐溶液提供电化学生成的质子的至少一部分和来自所述第一阴极电解质的形成的Fe2+离子的至少一部分；
在溶解子系统中产生具有所述形成的Fe2+离子的第一富铁溶液，所述溶解子系统包括所述第一溶解罐和所述第一电化学电池；
将所述第一富铁溶液的至少一部分转移到镀铁子系统，所述镀铁子系统包括第二电化学电池；
在所述第二电化学电池的第二阴极处，将所述形成的Fe2+离子的至少第一部分第二电化学还原成Fe金属；
其中所述第二电化学电池包括在所述第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室、在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第二隔件；以及
从所述第二电化学电池中移除Fe金属，从而生产所述铁。
2.根据权利要求1所述的方法，包括在还原剂存在下热还原所述含铁矿石中的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料以形成磁铁矿，从而形成热还原矿石；其中所述第一溶解罐中的所述第一含铁矿石包括所述热还原矿石；并且其中所述溶解步骤包括使用酸溶解所述热还原矿石的至少一部分以形成酸性铁盐溶液。
3.根据权利要求2所述的方法，包括在所述溶解步骤过程中，将来自所述电化学电池的具有所述电化学生成的质子的阴极电解质的至少一部分提供给所述酸性铁盐溶液，从而在所述热还原矿石存在下将所述电化学生成的质子提供给所述酸性铁盐溶液。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述溶解步骤在溶解罐中进行；其中所述溶解罐和所述电化学电池是流体连接的；并且其中所述酸性铁盐溶液在所述溶解罐和所述电化学电池之间循环。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述溶解步骤的至少一部分的过程中，所有的所述酸性铁盐溶液在所述溶解罐和所述电化学电池之间循环。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其中在溶解过程中，所述热还原矿石和所述酸性铁盐溶液之间的反应生成水，从而消耗所述酸性铁盐溶液中的质子；并且其中所提供的电化学生成的质子替换所述酸性铁盐溶液中消耗的质子的至少一部分。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的方法，其中在所述溶解步骤的至少一部分的过程中，所述电化学生成的质子连续地提供给所述酸性铁盐溶液。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，其中所述酸性铁盐溶液的特征在于在所述热还原矿石的溶解过程中，游离质子的稳态浓度为至少0.2M。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述酸性铁盐溶液的特征在于游离质子的稳态浓度选自0.2M至3M的范围。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述酸性铁盐溶液的特征在于稳态pH小于0.7。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中电化学生成所述电化学生成的质子的步骤包括在所述第一阳极处电化学氧化水。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中提供所述电化学生成的质子的步骤包括将所述电化学生成的质子通过所述隔件从所述阳极电解质输送到所述阴极电解质。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电化学电池的特征在于库仑效率大于80％。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电化学生成的质子在所述第一阴极电解质中至少部分地形成酸。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括从所述第一阴极电解质向所述第一阳极电解质提供水。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的方法，其中在所述第一阳极处氧化的水包括在所述溶解步骤过程中通过溶解所述含铁矿石生成的水。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括通过经由所述第一隔件的渗透、和/或闪蒸将水从所述阴极电解质提供给所述阳极电解质。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述阳极电解质具有与所述阴极电解质不同的成分。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的pH。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一阴极电解质具有比所述第一阳极电解质低的pH。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一阳极电解质包含与所述第一阴极电解质中的不同的溶解盐成分。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一阳极电解质包含一种或多种溶解的三价铁的铁盐；并且其中所述第一阳极电解质的特征在于所述一种或多种溶解的三价铁的铁盐的总浓度等于或大于所述第一阴极电解质中的总铁离子浓度。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一阴极电解质包含一种或多种支持盐。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一阴极电解质包含浓度选自0.1M至1M的范围的一种或多种支持盐。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其中所述一种或多种支持盐包含一种或多种金属硫酸盐化合物和/或一种或多种金属氯化物化合物。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述一种或多种金属硫酸盐化合物包括硫酸钾、硫酸钠、硫酸铵、硫酸锂、氯化钾、氯化钠、氯化铵、氯化锂或这些的组合。
27.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一阳极电解质的特征在于至少一个氧化还原对与所述第一阴极电解质中的不同。
28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一阳极电解质包含的溶解盐的总浓度比所述第一阴极电解质中的高。
29.根据权利要求1-21和23-27中任一项所述的方法，其中所述第一阳极电解质包含的溶解盐的总浓度比所述第一阴极电解质中的低。
30.根据权利要求1-21和23-28中任一项所述的方法，其中所述阳极电解质基本上不含Fe2+和Fe3+离子。
31.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述阴极电解质的特征在于最大铁离子浓度选自1至5M的范围。
32.根据前述权利要求任一项所述的方法，包括在所述阳极处电化学生成氧(O2)。
33.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一阳极电解质通过所述第一隔件离子连接到所述第一阴极电解质。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质是流体断开的。
35.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述隔件是离子交换膜。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述隔件是质子交换膜(PEM)。
37.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所产生的富铁溶液的特征在于总铁离子浓度选自1至5M的范围。
38.根据权利要求2-37中任一项所述的方法，其中所述热还原步骤包括将所述含铁矿石的所述一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料在选自200℃至600℃的范围的高温下暴露于还原剂，从而将所述一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料的至少一部分转化为所述磁铁矿。
39.根据权利要求2-38中任一项所述的方法，其中所述还原剂包括H2气体；并且其中所述H2气体的至少一部分通过铁金属与酸的反应化学生成，和/或所述H2气体的至少一部分通过电镀铁过程的寄生析氢反应电化学生成。
40.根据权利要求38所述的方法，其中在所述热还原步骤过程中，将所述含铁矿石暴露于所述高温并持续热处理时间，并且其中将所述含铁矿石在整个所述热处理时间期间暴露于所述还原剂。
41.根据权利要求38所述的方法，其中在所述热还原步骤过程中，将所述含铁矿石暴露于所述高温并持续热处理时间，并且其中在部分所述热处理时间期间将所述含铁矿石暴露于所述还原剂。
42.根据权利要求41所述的方法，包括通过将所述含铁矿石在所述热处理时间的初始部分期间暴露于空气来对所述含铁矿石进行空气焙烧。
43.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在空气存在下在选自200℃至600℃的范围的温度下对所述含铁矿石的至少一部分进行空气焙烧以形成经空气焙烧矿石。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述空气焙烧步骤在所述热还原步骤之前进行，或与所述热还原步骤分开进行，其中经空气焙烧矿石在空气焙烧之前没有进行热还原。
45.根据权利要求43或44所述的方法，其中所述热还原步骤包括热还原所述经空气焙烧矿石以形成所述热还原矿石的至少一部分；其中所述经空气焙烧矿石包含一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料。
46.根据权利要求43、44或45所述的方法，其中所述溶解步骤包括同时和/或按顺序溶解所述经空气焙烧矿石的至少一部分和所述热还原矿石的至少一部分。
47.根据权利要求46所述的方法，其中所述溶解步骤包括对于所述溶解步骤的至少一部分，将所述经空气焙烧矿石的至少一部分溶解在与所述热还原矿石分开的溶解罐中。
48.根据权利要求43-47中任一项所述的方法，其中所述溶解步骤包括溶解矿石混合物；其中所述矿石混合物包含0重量％至100重量％的所述热还原矿石、5重量％至100重量％的所述经焙烧矿石和0重量％至90重量％的经焙烧含磁铁矿矿石。
49.根据权利要求43-48中任一项所述的方法，其中所述溶解步骤包括在所述第一电化学电池和以下的至少一个之间循环溶解溶液：第一溶解罐、第二溶解罐和第三溶解罐；其中所述第一溶解罐包含所述热还原矿石的至少一部分，所述第二溶解罐包含所述经空气焙烧矿石，以及所述第三溶解罐包含含铁原矿石；其中所述原矿石是既未进行热还原也未进行空气焙烧的含铁矿石。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述循环步骤包括将所述溶解溶液循环总循环时间或总循环周期数；其中所述溶解溶液在所述电化学电池和所述第三溶解罐之间循环0至99％的所述总循环时间或所述总循环周期数；其中所述溶解溶液在所述电化学电池和所述第二溶解罐之间循环0至99％的所述总循环时间或所述总循环周期数；并且其中所述溶解溶液在所述电化学电池和所述第一溶解罐之间循环1至100％的所述总循环时间或所述总循环周期数。
51.根据权利要求49或50所述的方法，其中在所述循环步骤过程中，所述溶解溶液在所述电化学电池和以下的任意两个或任意三个之间以任意顺序依次循环和/或同时循环：所述第一溶解罐、所述第二溶解罐和所述第三溶解罐。
52.根据权利要求51所述的方法，其中所述循环步骤包括在所述电化学电池和具有所述原矿石的所述第三溶解罐之间对所述溶解溶液进行第一循环，然后在所述电化学电池和具有所述经空气焙烧矿石的所述第二溶解罐之间对所述溶解溶液进行第二循环，然后在所述电化学电池和具有所述热还原矿石的所述第一溶解罐之间对所述溶解溶液进行第三循环。
53.根据权利要求49-52中任一项所述的方法，其中所述溶解溶液是所述酸性铁盐溶液或包含所述酸性铁盐溶液。
54.根据权利要求43-53中任一项所述的方法，其中在所述溶解步骤的任何部分的过程中，所述第一溶解罐还包含经空气焙烧矿石、原矿石或两者。
55.根据权利要求49-54中任一项所述的方法，其中在所述溶解步骤的任何部分的过程中，所述第二溶解罐还包含热还原矿石、原矿石或两者。
56.根据权利要求49-55中任一项所述的方法，其中在所述溶解步骤的任何部分的过程中，所述第三溶解罐还包含经空气焙烧矿石、热还原矿石或两者。
57.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述溶解步骤在至少一个溶解罐中进行；并且其中所述溶解步骤包括在所述热还原矿石存在下，将经空气焙烧矿石、原矿石或两者进一步引入到至少一个溶解罐中的酸性铁盐溶液中。
58.根据权利要求2-57中任一项所述的方法，其中所述一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料包括赤铁矿和/或针铁矿。
59.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述酸性铁盐溶液包含选自由盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、柠檬酸、草酸、硼酸、过硼酸、碳酸、甲磺酸及其任意组合组成的组的酸。
60.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中转移所述形成的Fe2+离子的步骤包括从所述溶解子系统中移除所述富铁溶液的至少一部分，并将递送的富铁溶液递送至所述镀铁子系统；其中所述递送的富铁溶液包含所述移除的富铁溶液的至少一部分。
61.根据权利要求60所述的方法，其中具有所述形成的Fe2+离子的所述递送的富铁溶液的特征在于pH大于0.5。
62.根据权利要求61所述的方法，其中所述递送的富铁溶液的特征在于pH大于或等于1。
63.根据权利要求62所述的方法，其中所述递送的富铁溶液的特征在于pH选自2至6的范围。
64.根据权利要求60-63中任一项所述的方法，其中所述递送的富铁溶液包含的Fe2+离子的浓度比Fe3+离子的浓度高。
65.根据权利要求60-64中任一项所述的方法，其中所述递送的富铁溶液的特征在于Fe3 +离子与Fe2+离子的浓度比率小于或等于0.01。
66.根据权利要求60-65中任一项所述的方法，其中将所述递送的富铁溶液直接或间接地递送至第二阴极室；其中所述第二电化学电池包括在所述第二阴极存在下具有第二阴极电解质的所述第二阴极室。
67.根据权利要求66所述的方法，其中将所述递送的富铁溶液的至少70％直接或间接地递送至第二阴极室。
68.根据权利要求67所述的方法，其中将所述递送的富铁溶液的至少90％直接或间接地递送至第二阴极室。
69.根据权利要求60-68中任一项所述的方法，其中所述第二电化学还原步骤形成废第二阴极电解质，所述废第二阴极电解质具有比所递送的富铁溶液低的铁离子浓度；其中将所述废第二阴极电解质的至少一部分提供给第二阳极室；其中所述第二电化学电池包括在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的所述第二阳极室。
70.根据权利要求69所述的方法，其中当所述第二电化学还原步骤完成或关闭时，形成所述废第二阴极电解质。
71.根据权利要求68或69所述的方法，其中所述废第二阴极电解质的特征在于铁离子的浓度为所述递送的富铁溶液中的铁离子的浓度的60％至70％。
72.根据权利要求69所述的方法，其中当所述第二阴极电解质中的铁离子的浓度降低至所述递送的富铁溶液中的铁离子的浓度的60％至70％时，所述第二电化学还原步骤完成或关闭。
73.根据权利要求60-72中任一项所述的方法，其中将所述递送的富铁溶液的第一部分直接或间接地递送至第二阴极室；其中将所述递送的富铁溶液的第二部分直接或间接地递送至第二阳极室；并且其中所述第二电化学电池包括在第二阴极存在下具有第二阴极电解质的所述第二阴极室，并且所述第二电化学电池包括在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室。
74.根据权利要求73所述的方法，其中所述第一部分是25体积％至45体积％的所述递送的富铁溶液，并且所述第二部分是55体积％至75体积％的所述递送的富铁溶液。
75.根据权利要求73或74所述的方法，其中所述第一部分包含所述递送的富铁溶液的25摩尔％到45摩尔％的Fe2+，并且所述第二部分包含所述递送的富铁溶液的55摩尔％到75摩尔％的Fe2+。
76.根据权利要求60-75中任一项所述的方法，其中所述转移步骤还包括在所述递送步骤之前处理所述富铁溶液的移除部分，从而形成经处理的富铁溶液；并且其中所述递送的富铁溶液包含所述经处理的富铁溶液的至少一部分。
77.根据权利要求76所述的方法，其中所述处理步骤包括：
升高所述富铁溶液的移除部分的pH。
78.根据权利要求76或77所述的方法，其中所述处理步骤包括在所述富铁溶液的移除部分存在下通过提供金属铁来升高所述富铁溶液的移除部分的pH；并且其中所述富铁溶液的移除部分和所提供的金属铁之间的反应消耗了所述富铁溶液的移除部分中的质子。
79.根据权利要求78所述的方法，其中升高所述富铁溶液的移除部分的pH还包括在所述富铁溶液的移除部分存在下在提供金属铁之前和/或同时在所述富铁溶液的移除部分存在下提供磁铁矿。
80.根据权利要求78或79所述的方法，其中所述富铁溶液的移除部分和所提供的金属铁之间的反应化学生成H2气体；并且其中所述方法还包括收集化学生成的H2气体。
81.根据权利要求76-80中任一项所述的方法，其中所述经处理的亚铁溶液的pH选自2至小于7的范围。
82.根据权利要求76所述的方法，其中所述原料包含一种或多种杂质；其中所述产生的富铁溶液包含所述一种或多种杂质的至少一部分；其中升高pH包括将所述富铁溶液的移除部分的pH从初始pH升高到经调节的pH，从而沉淀所述富铁溶液中的所述一种或多种杂质的至少一部分，以形成所述经处理的富铁溶液；其中与所述产生的富铁溶液相比，所述经处理的富铁溶解液具有降低浓度的所述一种或多种杂质。
83.根据权利要求82所述的方法，其中溶解所述含铁矿石的至少一部分生成不可溶性杂质；并且其中所述方法还包括分离和移除所述不可溶性杂质的至少一部分。
84.根据权利要求83所述的方法，其中通过过滤出和/或分离出所述不可溶性杂质来移除所述不可溶性杂质的至少一部分。
85.根据权利要求83或84所述的方法，其中所述不可溶性杂质包括石英、石膏和这些的任意组合。
86.根据权利要求82-85中任一项所述的方法，其中所述经调节的pH处于或超过所述一种或多种杂质的溶解度极限，并且低于Fe2+离子的溶解度极限，从而沉淀所述一种或多种杂质的至少一部分。
87.根据权利要求86所述的方法，其中所述经调节的pH处于或超过铝、钛和磷酸根离子的溶解度极限，并且低于Fe2+离子的的溶解度极限，从而沉淀铝、钛和含磷离子的至少一部分。
88.根据权利要求82-87中任一项所述的方法，其中所述经调节的pH处于或大于所述一种或多种杂质的沉淀pH，并且低于Fe2+离子的沉淀pH，从而沉淀所述一种或多种杂质的至少一部分。
89.根据权利要求88所述的方法，其中所述经调节的pH处于或大于铝、钛和磷酸根离子的沉淀pH，并且低于Fe2+离子的沉淀pH，从而沉淀铝、钛和含磷离子的至少一部分。
90.根据权利要求86-89中任一项所述的方法，包括沉淀氢氧化钛、氢氧化铝、磷酸铝和/或磷酸铁。
91.根据权利要求86-90中任一项所述的方法，包括移除沉淀的杂质的至少一部分。
92.根据权利要求82-91中任一项所述的方法，其中所述经调节的pH选自3至7的范围。
93.根据权利要求92所述的方法，其中所述经调节的pH选自4至小于7的范围。
94.根据权利要求82-93中任一项所述的方法，其中所述经调节的pH还导致了由其他杂质的沉淀引起的胶态二氧化硅的凝结；所述方法还包括移除所述胶态二氧化硅的至少一部分。
95.根据权利要求82-94中任一项所述的方法，其中所述升高pH的步骤包括在所述富铁溶液存在下提供金属铁和/或铁氧化物材料；并且其中所述富铁溶液的移除部分与所提供的金属铁和/或铁氧化物材料之间的反应消耗所述富铁溶液中的质子，从而升高其pH。
96.根据权利要求95所述的方法，其中所述升高pH的步骤包括首先在所述富铁溶液存在下提供所述铁氧化物材料，并随后在所述富铁溶液存在下提供金属铁。
97.根据权利要求95所述的方法，其中升高所述富铁溶液的移除部分的pH还包括在所述富铁溶液的移除部分存在下在提供所述金属铁之前和/或同时在所述富铁溶液的移除部分存在下提供所述铁氧化物材料。
98.根据权利要求95-97中任一项所述的方法，其中所述铁氧化物材料包括磁铁矿。
99.根据权利要求95-98中任一项所述的方法，其中所提供的氧化铁材料包括热还原含铁矿石。
100.根据权利要求95-99中任一项所述的方法，其中所述金属铁是在所述第二电化学还原步骤过程中形成的Fe金属的一部分。
101.根据权利要求82-100中任一项所述的方法，其中所述经处理的亚铁产物溶液的特征在于:
铝离子的浓度小于1mM；和/或
含磷离子的浓度小于1mM。
102.根据权利要求82-101中任一项所述的方法，其中将所述经处理的富铁溶液直接或间接地递送至所述第二阴极室。
103.根据权利要求102所述的方法，其中不将所述经处理的富铁溶液递送至所述第二阳极室。
104.根据权利要求102或103所述的方法，包括将所述产生的富铁溶液的第二部分直接或间接地递送至所述第二阳极室；其中所述富铁溶液的第二部分未经处理或者经受与所述富铁溶液的第一部分不同的处理。
105.根据权利要求82-104中任一项所述的方法，其中所述富铁溶液包含胶态二氧化硅；并且其中处理步骤包括移除所述胶态二氧化硅的至少一部分。
106.根据权利要求105所述的方法，其中所述移除胶态二氧化硅包括所述胶态二氧化硅的至少一部分的絮凝以生成絮凝的胶态二氧化硅。
107.根据权利要求105或106所述的方法，其中所述移除胶态二氧化硅的步骤包括向所述富铁溶液中加入聚环氧乙烷以促进所述胶态二氧化硅的絮凝，从而生成絮凝的胶态二氧化硅。
108.根据权利要求105-107中任一项所述的方法，其中通过过滤、沉降和/或任何固液分离工艺来移除胶态二氧化硅。
109.根据权利要求82-108中任一项所述的方法，其中所述经处理的富铁溶液的胶态二氧化硅含量小于或等于10mM。
110.根据权利要求82-109中任一项所述的方法，其中所述初始pH在0.5至1.5的范围内。
111.根据权利要求82-110中任一项所述的方法，其中所述富铁溶液的特征在于初始pH，并且其Fe2+离子的浓度高于Fe3+离子的浓度。
112.根据权利要求82-111中任一项所述的方法，其中所述一种或多种杂质包括铝化合物、钛化合物、磷酸盐化合物或这些的任意组合。
113.根据权利要求82-112中任一项所述的方法，其中所述原料包含浓度选自1至50重量％的范围的一种或多种杂质。
114.根据权利要求82-113中任一项所述的方法，包括对来自所述第二电化学电池的所述第二阳极电解质和/或所述第二阴极电解质进行第二处理步骤，以调节pH、改变成分和/或移除杂质。
115.根据权利要求82-114中任一项所述的方法，其中所述第二处理步骤在所述第二电化学还原步骤完成或关闭之后进行。
116.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述移除的Fe金属的特征在于：
铝的浓度小于0.1重量％；和/或磷离子的浓度小于0.02重量％。
117.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括电化学氧化Fe2+离子以在所述第二阳极电解质中形成第二Fe3+离子。
118.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括将第一再循环溶液从所述镀铁子系统再循环到所述溶解子系统；其中所述再循环溶液包含在所述第二阳极电解质中形成的所述第二Fe3+离子。
119.根据权利要求118所述的方法，其中所述再循环步骤在所述第二电化学还原步骤完成或关闭之后进行。
120.根据权利要求118或119所述的方法，其中将所述第一再循环溶液提供给第一溶解罐；其中所述溶解步骤在包含所述含铁矿石和所述酸性铁盐溶液的所述第一溶解罐中进行。
121.根据权利要求118、119或120所述的方法，其中所述第一再循环溶液包含来自所述第二电化学电池的所述第二阴极电解质和所述第二阳极电解质的至少一部分。
122.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中当所述第二电化学电池的所述第二阴极电解质的特征在于铁离子的总浓度为(i)所述递送的富铁溶液或(ii)所述产生的富铁溶液中的铁离子的浓度的60％至70％时，所述第二电化学还原步骤完成或关闭。
123.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中当所述第二电化学电池的第二阴极上的形成的Fe金属的平均厚度选自1mm至10mm的范围时，所述第二电化学还原步骤完成或关闭。
124.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述镀铁子系统包括第一循环罐，其配置为在所述第二电化学电池的第二阴极室和所述第一循环罐之间循环第二阴极电解质；并且其中所述镀铁子系统包括第二循环罐，其配置为在所述第二电化学电池的第二阳极室和所述第二循环罐之间循环第二阳极电解质。
125.根据权利要求124所述的方法，其中将间接地递送到所述第二阴极室的富铁溶液递送到所述第一循环罐。
126.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二隔件是PEM或阴离子交换膜(AEM)或微孔隔件。
127.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一电化学电池在不同于所述第二电化学电池的电流密度下运行。
128.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一电化学电池在不同于所述第二电化学电池的电流密度下同时运行。
129.根据权利要求127或128所述的方法，其中所述第一电化学电池在比所述第二电化学电池高的电流密度下运行。
130.根据权利要求127、128或129所述的方法，其中所述第一电化学电池在选自0.1至2A/cm2的范围的电流密度下运行，并且所述第二电化学电池在选自20至300mA/cm2的范围的电流密度下运行。
131.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括重复所述方法至少5个循环。
132.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述原料包括赤铁矿、磁赤铁矿、水铁矿、褐铁矿、磁铁矿、针铁矿、正方针铁矿、纤铁矿、六方纤铁矿或这些的任意组合。
133.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括生成H2气体和收集所生成的H2气体。
134.根据权利要求39、80或133所述的方法，其中将所收集的H2气体的至少一部分氧化并在热还原含铁矿石的过程中用作还原剂。
135.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括电控制所述第一电化学电池以防止在所述第一阴极处的Fe金属电镀。
136.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二电化学电池在选自40℃至80℃的范围的温度下运行。
137.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二电化学电池包括第二阴极电解质和第二阳极电解质；并且其中所述第二阳极电解质具有比所述第二阴极电解质低的pH。
138.根据权利要求137所述的方法，其中所述第二阳极电解质的pH小于Fe(III)(OH)2的溶解度极限的pH。
139.根据权利要求137或138所述的方法，其中在所述第二电化学还原步骤过程中，所述第二阴极电解质具有小于6的pH。
140.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所移除的Fe金属包含至少99重量％的Fe。
141.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一阳极具有包含铅、铅氧化物、锰氧化物、混合的金属氧化物、铱氧化物、钌氧化物或这些的任意组合的组合物。
142.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一阴极具有包含碳、石墨、钛或这些的任意组合的组合物。
143.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二阳极具有包含碳、石墨、铅、铅氧化物、混合的金属氧化物或这些的任意组合的组合物。
144.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二阴极具有包含钢、低碳钢、不锈钢、铜、铜合金或这些的任意组合的组合物。
145.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中移除所述铁金属的步骤包括(a)在所述第二电化学还原步骤过程中从所述第二阴极刮除所述铁金属，以及(b)收集刮除的铁金属。
146.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括向所述方法的一个或多个步骤提供电能输入；并且其中所述电能输入的至少一部分来自可再生能源。
147.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括炼钢步骤；其中所述炼钢步骤包括在碳源存在下，在足以将电镀的铁金属转化成钢的温度下，将移除的电镀的铁金属在炉中加热。
148.根据权利要求147所述的方法，其中所述炉是电弧炉、感应炉或能够达到足以将电镀的铁金属转化成钢的温度的任何其他炉。
149.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以放电模式运行所述第二电化学电池，所述放电模式包括氧化所述第二电化学电池中的电镀Fe金属；其中所述方法还包括将在所述第二电化学电池的放电模式过程中产生的电能供应给电网。
150.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二电化学还原步骤是电镀铁反应。
151.一种用于生产铁的系统，所述方法包括：
溶解子系统，其用于产生富铁溶液，其中所述溶解子系统包括第一溶解罐、第一电化学电池和第一循环子系统；其中：
在所述第一溶解罐中，使含铁矿石与酸接触以溶解所述含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的Fe3+离子的酸性铁盐溶液；
所述第一循环子系统在所述第一溶解罐和所述第一电化学电池的第一阴极室之间循环所述酸性铁盐溶液的至少一部分，从而向所述第一阴极室的第一阴极电解质提供第一Fe3+离子的至少一部分；
其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有所述第一阴极电解质的所述第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；
所述第一电化学电池在所述第一阴极处电化学还原所述第一Fe3+离子的至少一部分以在所述第一阴极电解质中形成Fe2+离子；
所述第一电化学电池电化学生成质子并将电化学生成的质子提供给所述阴极电解质；其中所述第一循环系统将来自所述第一阴极电解质的所述电化学生成的质子提供给所述酸性铁盐溶液；以及
在所述第一子系统中产生的所述富铁溶液包含形成的Fe2+离子；
过渡子系统，包括第一子系统间流体连接件，所述第一子系统间流体连接件用于将所述富铁溶液的至少一部分转移到镀铁子系统；
所述镀铁子系统包括第二电化学电池；
其中所述第二电化学电池包括在所述第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室、在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室、和在第二阴极存在下将所述第一阳极电解质与具有第二阴极电解质的所述第一阴极电解质分开的第二隔件；
其中将转移的形成的Fe2+离子的至少第一部分在所述第二阴极处电化学还原成Fe金属；以及
铁移除子系统，用于从所述第二电化学电池中移除Fe金属，从而生产铁。
152.根据权利要求151所述的系统，其中质子在所述第一阳极电解质中电化学生成并提供给所述第一阴极电解质。
153.根据权利要求151或152所述的系统，其中在所述含铁矿石存在下，所述溶解罐中的酸性铁盐溶液的特征在于游离质子的稳态浓度为至少0.2M和/或其特征在于稳态pH等于或小于0.7。
154.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一阳极电解质包含水或水性盐溶液；并且其中水在所述第一阳极处电化学氧化以在所述第一阳极电解质中产生质子；并且其中产生的质子通过所述隔件输送到所述第一阴极电解质。
155.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的成分。
156.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一含铁矿石包括具有磁铁矿的热还原矿石。
157.根据权利要求156所述的系统，还包括热还原子系统，其配置为通过在还原剂存在下并在选自200℃至600℃的范围的高温下将非磁铁矿材料转化成磁铁矿来形成所述热还原矿石；其中将所述热还原矿石从所述热还原子系统提供给所述第一溶解罐。
158.根据权利要求157所述的方法，包括空气焙烧子系统，其配置为通过在空气存在下并在选自200℃至600℃的范围的升高的温度下对所述含铁矿石进行空气焙烧来形成经空气焙烧矿石。
159.根据权利要求158所述的方法，其中所述空气焙烧子系统和所述热还原子系统是同一个。
160.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括具有经空气焙烧矿石的第二溶解罐；其中所述经空气焙烧矿石是未进行热还原的含铁矿石，并且其已经在选自200℃至600℃的范围的升高的温度下暴露于空气；
其中在包含溶解的Fe3+离子的第二酸性铁盐溶液存在下，在所述第二溶解罐中发生所述经空气焙烧矿石的溶解；
其中所述系统还包括第二循环子系统，其将所述第二酸性铁盐溶液的至少一部分从所述第二溶解罐循环至所述阴极室，并将所述阴极电解质的至少一部分从所述电化学电池循环至所述第二溶解罐；以及
其中来自所述第二酸性铁盐溶液的Fe3+离子的至少一部分在所述阴极处电化学还原成所述阴极电解质中的Fe2+离子，从而消耗来自所述第二酸性铁盐溶液的Fe3+离子。
161.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括具有原矿石的第三溶解罐；其中所述原矿石是既未进行热还原也未进行空气焙烧的含铁矿石；
其中在包含溶解的Fe3+离子的第三酸性铁盐溶液存在下，在所述第三溶解罐中发生所述经空气焙烧矿石的溶解；
其中所述系统还包括第三循环子系统，其将所述第三酸性铁盐溶液的至少一部分从所述第三溶解罐循环至所述阴极室，并将所述阴极电解质的至少一部分从所述电化学电池循环至所述第三溶解罐；以及
其中来自所述第三酸性铁盐溶液的Fe3+离子的至少一部分在所述阴极处电化学还原成所述阴极电解质中的Fe2+离子，从而消耗来自所述第三酸性铁盐溶液的Fe3+离子。
162.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述产生的富铁溶液具有浓度选自1M至4M的范围的铁离子。
163.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中在所述第二阳极电解质中将Fe2+离子氧化成Fe3+离子。
164.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述过渡子系统移除所述产生的富铁溶液的至少一部分，并处理所述富铁溶液的移除部分，从而形成经处理的富铁溶液。
165.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括废电解质再循环系统，所述废电解质再循环系统配置为将第一再循环溶液从所述第二电化学电池再循环至所述溶解子系统。
166.根据权利要求165所述的系统，其中所述第一再循环溶液包含所述第二阳极电解质的至少一部分和所述第二阴极电解质的至少一部分。
167.根据权利要求166所述的方法，其中在形成的Fe2+离子至Fe金属的还原完成或关闭之后，通过混合所述第二阳极电解质的至少一部分和所述第二阴极电解质的至少一部分来形成所述第一再循环溶液。
168.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述过渡子系统包括第一杂质移除子系统，所述第一杂质移除子系统配置为从所述富铁溶液中移除所述一种或多种杂质的至少一部分，从而形成具有形成的Fe2+离子的至少一部分的经处理的富铁溶液；其中在所述第一杂质移除子系统中，所述富铁溶液的pH从初始pH升高至经调节的pH，以沉淀一种或多种杂质的移除部分。
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