ES2642962T3 - Procedimiento mejorado para la preparación de hematita finamente dividida y de pigmentos rojos de óxido de hierro - Google Patents

Procedimiento mejorado para la preparación de hematita finamente dividida y de pigmentos rojos de óxido de hierro Download PDF

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Description

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DESCRIPCION
Procedimiento mejorado para la preparation de hematita finamente dividida y de pigmentos rojos de oxido de hierro
La presente invention se refiere a un procedimiento mejorado para la preparacion de hematita finamente dividida y de pigmentos rojos de oxido de hierro formados a partir de la hematita finamente dividida.
Los oxidos de hierro se usan en muchos campos tecnicos. As! se usan por ejemplo como pigmentos de color en ceramicas, materiales de construction, plasticos, lacas y papel, sirven como base para distintos catalizadores o materiales de soporte, pueden adsorber o absorber sustancias nocivas. Los oxidos de hierro magneticos se usan en medios de memoria magnetica, toners, ferrofluidos o en aplicaciones medicas como por ejemplo como medio de contraste para la tomografla por resonancia magnetica.
Para muchas de estas aplicaciones, el tamano de partlcula de las partlculas de oxido de hierro desempena un papel decisivo. Las partlculas que tienen un tamano de partlcula inferior a o igual a 100 nm son necesarias para aplicaciones en las que se determina el efecto tecnico de la superficie de las partlculas. Los oxidos de hierro con un tamano de partlcula inferior o igual a 100 nm se designan en relation con esta invencion como oxidos de hierro finamente divididos o partlculas de oxido de hierro finamente divididas, o cuando el oxido de hierro es hematita, como hematitas finamente divididas. Estos se usan por ejemplo para aplicaciones catallticas, o en los campos de adsorcion o bien absorcion o detectores. Los materiales superparamagneticos o magneticamente blandos se usan por ejemplo en aplicaciones medicas. Los pigmentos transparentes cuyo tamano de partlcula es menor que la longitud de onda de la luz visible producen, debido a la baja dispersion de la luz, una impresion de color transparente que se determina en primer lugar mediante la absorcion.
Para todos estos ejemplos de aplicacion es decisivamente importante la preparacion de un tamano de partlcula definido. La preparacion de oxido de hierro finamente dividido de alta calidad con un tamano de partlcula definido a escala tecnica es sin embargo costosa.
Existe una serie de procedimientos de preparacion para oxido de hierro finamente dividido, que pueden subdividirse esencialmente en los siguientes grupos:
1. procedimientos mecanicos
2. procedimientos en fase gaseosa
3. procedimientos en fase llquida
Tal como se expone a continuation, todos los procedimientos existentes estan unidos con los inconvenientes de que el proceso de preparacion o bien es muy costoso y requiere mucha energla, que los productos secundarios deben separarse de manera costosa, que deben exigirse altos requerimientos a los materiales y materias primas que van a usarse con respecto a su composition, que el oxido de hierro finamente dividido obtenido no puede obtenerse en alta pureza y / o que los productos pueden obtenerse solo con un bajo rendimiento. Existe por tanto ahora como antes la necesidad de facilitar un procedimiento acuoso, economico, sencillo, que no dependa de una calidad de materia prima especial, y a pesar de ello proporcione oxido de hierro finamente dividido altamente puro, en especial oxido de hierro finamente dividido de la modification de hematita. Este se usa por ejemplo en procedimientos de preparacion de pigmentos para la preparacion de pigmentos rojos de oxido de hierro.
Mediante procedimientos mecanicos (moliendas) es diflcilmente accesible oxido de hierro finamente dividido y se produce con frecuencia una impurificacion mediante desgaste del cuerpo de molienda. El oxido de hierro finamente dividido, en especial oxido de hierro finamente dividido de la modificacion hematita, tiene una alta energla de superficie, de modo que con tamano de partlcula decreciente debe aplicarse cada vez mas energla para una trituration en partlculas primarias finamente divididas, por tanto los procedimientos de preparacion mecanicos para partlculas finamente divididas requieren mucha energla y no son adecuados.
Los procedimientos de fases gaseosas incluyen la deposition qulmica en fase gaseosa, la deposition por ablation por laser, tecnicas de pulverization catodica, o recocidos a altas temperaturas. Si para ello se usa otro oxido de hierro finamente dividido y se sobrecalienta, entonces se encuentran por regla general condiciones de recocido, con las que se obtiene tambien una hematita finamente dividida [por ejemplo los documentos US5004504, US5614012]. Estas partlculas pueden prepararse a escala tecnica, y se usan como pigmentos transparentes. Estos procedimientos usan por regla general altas temperaturas, de manera que pueden formarse agregados duros, que requieren un tratamiento mecanico posterior y pueden disgregarse solo diflcilmente y con alto gasto de energla en las partlculas primarias finamente divididas.
Mediante la descomposicion termica de carbonilo de hierro o compuestos precursores organicos de Fe pueden obtenerse sin embargo muy bien partlculas de oxido de hierro muy finamente divididas a temperaturas moderadas [A. Shavel, L.M. Liz-Marzan, Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009), 3762.]. Estas slntesis tienen el inconveniente de
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que los compuestos organometalicos usados no estan disponibles en grandes cantidades, son caros y que los productos secundarios organicos de la reaccion requieran una separacion costosa.
La slntesis en fase llquida es esencialmente mas adecuada por regla general para la preparacion de oxido de hierro finamente dividido. En esto se encuentra una serie completa de procedimientos como reacciones de precipitacion e hidrolisis, slntesis hidrotermicas y solvotermicas, procesos sol-gel y procedimientos de microemulsion.
Para la preparacion en fase llquida pueden diferenciarse slntesis en llquidos acuosos y no acuosos. Las slntesis en fase no acuosa tienen el gran inconveniente de que los disolventes no acuosos requieren una separacion y purificacion costosas del agua residual, y por regla general debido a su inflamabilidad exigen considerables requerimientos a la seguridad de trabajo. Es deseable desarrollar un procedimiento robusto, puramente acuoso que no exija altos requerimientos a las materias primera usadas.
Pueden obtenerse oxidos de hierro mediante reacciones acuosas de precipitacion e hidrolisis de sales de hierro (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, VCH Weinheim 2006, capltulo 3.1.1. Iron Oxide Pigments, pag. 6167). Los pigmentos de oxido de hierro a traves del proceso de precipitacion se generan a partir de soluciones de sales de hierro y compuestos alcalinos en presencia de aire. Mediante el control dirigido de la reaccion pueden prepararse as! tambien partlculas de goetita, magnetita y maghemita finamente divididas.
La preparacion acuosa de hematita finamente dividida, que corresponde a la modificacion a-Fe2O3, es sin embargo claramente mas costosa. Mediante el uso de una etapa de maduracion, con adicion de un oxido de hierro finamente dividido de la modificacion maghemita, g-Fe2O3, o lepidocrocita, g-FeOOH, como germen puede prepararse hematita tambien mediante una precipitacion acuosa directa [documentos US 5.421.878; EP0645437, wO 2009/100767], sin embargo de esta manera no puede obtenerse hematita finamente dividida en el sentido de esta invencion, es decir con un tamano de partlcula inferior o igual a 100 nm.
Otro procedimiento para la preparacion de pigmentos rojos de oxido de hierro es el denominado procedimiento de Penniman (documentos US 1.327.061; US 1.368.748; US 2.937.927, EP 1106577A, US 6.503.315). A este respecto se preparan pigmentos de oxido de hierro de manera que se disuelve y se oxida el metal hierro con adicion de un germen de oxido de hierro. As! se ha conocido en SHEN, Qing; SUN, Fengzhi; Wujiyan Gongye 1997, (6), 5 - 6 (CH), Wujiyan Gongye Bianjib, (CA 128:218378n) un procedimiento, en el que el acido nltrico diluido actua a temperatura elevada sobre hierro metalico. Segun esto se produce una suspension de germen de hematita. Esta se forma de manera en si conocida para obtener una suspension de pigmento rojo, el pigmento se alsla de esta suspension en caso deseado de manera en si habitual. Los pigmentos rojos preparados mediante este procedimiento presentan sin embargo una saturacion de color comparativamente baja, que son similares a la saturacion de color de un estandar 130 comercial, y se usan por tanto particularmente en la industria de materiales de construccion. El documento EP1106577A divulga una variante del procedimiento de Penniman que comprende la accion del acido nltrico diluido sobre hierro metalico a temperatura elevada para la generacion de germenes, es decir oxidos de hierro finamente divididos con un tamano de partlcula inferior o igual a 100 nm. La reaccion de hierro metalico con acido nltrico es una reaccion compleja y puede conducir dependiendo de las condiciones de ensayo o bien a una pasivacion del hierro y con ello a una detention de la reaccion, o a una disolucion del hierro con formation de nitrato de hierro disuelto.
Ambas vlas de reaccion no son deseables y la preparacion de hematita finamente dividida se logra solo en condiciones de ensayo limitadas. El documento EP 1106577A describe condiciones de ensayo de este tipo para la preparacion de hematita finamente dividida. A este respecto se lleva a reaccion el hierro metalico con acido nltrico diluido a temperaturas entre 90 y 99 °C. Se encontro ahora que este procedimiento de preparacion requiere un buen mezclado mecanico de la mezcla de reaccion, dado que en estas condiciones pueden conseguirse, sin un mezclado mecanico de los componentes de la reaccion, rendimientos solo bajos con largos tiempos de reaccion. Para garantizar un buen mezclado mecanico es necesario un diseno del reactor costoso. Ademas, en estas condiciones de reaccion oscilan las conversiones de hierro en relation con el acido nltrico usado, es decir el procedimiento no discurre de manera estable. Ha resultado que con estas condiciones tambien la calidad del hierro usado ejerce una influencia sobre las conversiones de hierro en relacion al acido nltrico usado y con ello hace que el desarrollo de la reaccion sea aun imprevisible y poco fiable de reaccion a reaccion.
La invencion se basaba en el objetivo de facilitar un procedimiento robusto, estable y economico, acuoso para la preparacion de hematita finamente dividida, que proporcionara con un alto rendimiento hematita altamente pura, finamente dividida, a partir de la cual pudieran prepararse pigmentos rojos de oxido de hierro de color intenso y brillantes, qulmicamente de alta pureza en un procedimiento de preparacion de pigmentos conectado posteriormente.
Se encontro ahora como solution de este objetivo complejo un procedimiento para la preparacion de hematita finamente dividida con un tamano de partlcula inferior o igual a 100 nm y una superficie BET especlfica de 40 m2/g a 150 m2/g, medida segun la norma DIN 66131, que comprende al menos las etapas
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a) facilitar una mezcla de hierro metalico y agua con una temperatura de 60 a 120 °C,
b) anadir acido nltrico diluido a la mezcla de la etapa a), en el que la mezcla de reaccion alcanza una temperatura maxima de 105 a 160 °C,
c) separar la suspension acuosa de hematita finamente dividida de hierro metalico eventualmente que no ha reaccionado,
d) eventualmente aislar la hematita finamente dividida de la suspension acuosa separada.
Preferentemente se considera cumplido el criterio del tamano de partlcula cuando el 90 % de las partlculas presenta un tamano de partlcula inferior o igual a 100 nm, de manera especialmente preferente de 30 nm a 90 nm.
Preferentemente se realiza en la etapa b) la adicion de acido nltrico diluido con una velocidad de adicion a la mezcla de la etapa a) tal que se caliente la mezcla de reaccion al menos 15 °C, preferentemente tambien sin alimentacion de calor externa en el intervalo inferior a 120 min tras finalizar la adicion de acido nltrico. Igualmente de manera preferente se realizan las etapas a) y b) en un recipiente cerrado, hermetico a la presion. Igualmente de manera preferente, tras la finalizacion de la adicion del acido nltrico diluido en la etapa b) antes de la realization de la etapa c) se espera hasta que haya disminuido la temperatura de reaccion hasta menos de 100 °C.
La invention comprende cualquier combination concebible de los distintos parametros de sustancia y procedimiento definidos y sus intervalos preferentes.
De manera especialmente preferente comprende el procedimiento de acuerdo con la invencion para la preparation de hematita finamente dividida, en el que la hematita finamente dividida presenta un tamano de partlcula inferior o igual a 100 nm y una superficie BET especlfica de 40 m2/g a 150 m2/g, preferentemente de 60 m2/g a 120 m2/g medido segun la norma dIn 66131, las etapas
a) calentar una mezcla de hierro metalico y agua hasta de 60 a 120 °C, preferentemente de 75 a 120 °C, en un recipiente cerrado, hermetico a la presion,
b) anadir acido nltrico diluido con una velocidad de adicion a la mezcla de la etapa a) tal que la mezcla de reaccion se caliente al menos 15 °C, preferentemente mas de 20 °C, de manera especialmente preferente mas de 30 °C, tambien sin alimentacion de calor externa en el intervalo inferior a 120 min, preferentemente inferior a 90 min, tras finalizar la adicion de acido nltrico, y la mezcla de reaccion alcanza una temperatura maxima de 105 a 160 °C, preferentemente de 120 a 160 °C,
c) esperar hasta que haya disminuido la temperatura de reaccion hasta menos de 100 °C,
d) separar la suspension acuosa de hematita finamente dividida del hierro metalico y
e) eventualmente aislar la hematita finamente dividida de la suspension acuosa separada.
Se encontro ademas que mediante el modo de procedimiento de acuerdo con la invencion son posibles conversiones esencialmente mas altas del hierro metalico usado. Con respecto a las sustancias de partida hierro y acido nltrico es deseable alcanzar una conversion lo mas alta posible de hierro en hematita finamente dividida con respecto al acido nltrico usado. Esto conduce a un procedimiento claramente respetuoso con el medio ambiente, dado que se consume menos materia prima (HNO3) y se producen menos productos secundarios nocivos en forma de nitrato de amonio (NH4NO3) y oxidos de nitrogeno (NOx). Como Indice caracterlstico para la conversion sirve para ello la proportion de hierro que ha reaccionado (calculado en mol) por acido nltrico usado (calculado en mol). Este Indice caracterlstico se designa en relation con esta invencion como factor de conversion molar. Mediante el procedimiento de acuerdo con la invencion pueden conseguirse factores de conversion molares superiores a 1,3, es decir por mol usado de HNO3 se convierten mas de 1,3 mol de hierro en hematita finamente dividida. La determinacion de este factor de conversion molar se ha descrito en la seccion de procedimientos. Este factor de conversion molar alto se consigue tambien con una accesibilidad mas alta que segun los procedimientos del estado de la tecnica. Ademas se consiguen estos factores de conversion molares altos tambien con distintas calidades de hierro como materia prima.
A continuation se describe mas detalladamente el procedimiento de acuerdo con la invencion.
En este procedimiento se dispone en la etapa a) en primer lugar hierro metalico y agua en un reactor, preferentemente en un reactor estable frente a acidos y a la presion, y se calienta hasta una temperatura de 60 a 120 °C, preferentemente de 75 a 120 °C, de manera muy especialmente preferente de 75 a 95 °C. A este respecto se cerro el reactor, de modo que pueden producirse presiones superiores a 1000 hPa [1 bar] dentro del reactor. Por regla general se limita la presion dentro del reactor mediante medidas de seguridad tecnica (por ejemplo una valvula de sobrepresion) a una presion tecnicamente controlable. Las presiones tlpicas que se producen en el procedimiento ascienden por ejemplo a de 0,2 a 1 MPa.
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Como hierro metalico se usa habitualmente chatarra de hierro en forma de alambre, chapas, clavos, o virutas gruesas. A este respecto, las piezas individuales son de cualquier forma y presentan habitualmente un espesor (por ejemplo medido como diametro de un alambre o como espesor de una chapa) de aprox. 0,1 millmetros hasta aprox. 3 mm millmetros. El tamano de los haces de alambres o de chapas, que se usan en el procedimiento, se calcula habitualmente segun puntos de vistas practicables. As! debe poder llenarse el recipiente hermetico a la presion con este material de uso sin dificultades, lo que se realiza por regla general mediante un orificio de acceso.
El hierro metalico usado en el procedimiento de acuerdo con la invencion presenta por regla general un contenido de hierro de >90 %. Como impurezas aparecen en esta chatarra de hierro habitualmente metales extranos tales como por ejemplo manganeso, cromo, silicio, nlquel, cobre y otros elementos. Sin embargo, puede usarse tambien sin inconvenientes hierro metalico con un grado de pureza mas alto. Por el contrario, no son muy adecuados por ejemplo polvos de hierro para este procedimiento, ya que estos tienen debido a la alta superficie una reactividad demasiado fuerte y podrlan conducir a reacciones fuertes. El hierro metalico se designa en el contexto de la invencion tambien como hierro elemental.
La facilitacion de la mezcla de acuerdo con la etapa a) se realiza preferentemente mediante calentamiento de una mezcla de hierro metalico y agua. Tras el calentamiento se anade en la etapa b) preferentemente acido nltrico diluido con una alta velocidad de adicion a la mezcla calentada previamente de hierro metalico y agua, preferentemente en un reactor cerrado, hermetico a la presion. Un mezclado mecanico de los componentes de reaccion (por ejemplo mediante agitacion o recirculacion por bombeo) no es necesario. Preferentemente se realiza el procedimiento de acuerdo con la invencion sin mezclado mecanico de los componentes de reaccion.
El acido nltrico diluido anadido en el procedimiento de acuerdo con la invencion en la etapa b) presenta preferentemente concentraciones del 10 % al 67 % en peso de HNO3, preferentemente entre el 20 % y el 67 % en peso de HNO3. Puede usarse ademas del acido nltrico tambien otro acido, por ejemplo acido clorhldrico o acido sulfurico. Preferentemente, ademas del acido nltrico diluido no se usa ningun otro acido en esta etapa de procedimiento. Esto provoca la ventaja de que el oxido de hierro finamente dividido que puede obtenerse segun el procedimiento de acuerdo con la invencion presenta un contenido de azufre y cloro muy bajo. Esto es ventajoso para el uso en catalizadores, dado que azufre y cloro representan para algunas reacciones venenos de catalizador conocidos. El acido nltrico se anade a la chatarra de hierro dispuesta en el agua y se diluye mediante el agua dispuesta. La concentracion calculada de HNO3 anadido, que se ajustarla sin otra reaccion qulmica en esta mezcla, se encuentra preferentemente entre el 2 y el 15 % en peso. Cuando la concentracion de HNO3 calculada se encuentra por debajo del 2 % en peso, no se realiza ninguna conversion suficiente en partlculas de hematita.
Por regla general se disponen por mol de HNO3 mas de 1,33 a 16 mol de hierro, preferentemente de 1,5 a 4 mol, en la etapa a). Una cantidad mayor de 1,33 mol a 1,8 mol de Fe pro mol de HNO3 (dependiendo del factor de conversion molar conseguido) significa para el procedimiento de acuerdo con la invencion una cantidad deficiente de HNO3. En este caso permanece tras la reaccion completa de HNO3 habitualmente hierro metalico. Tras la separacion de la suspension de la hematita finamente dividida puede usarse de nuevo en la reaccion siguiente el hierro metalico que queda en el recipiente de reaccion. El hierro metalico que queda en el recipiente de reaccion puede usarse tambien junto con hierro recientemente usado en la siguiente reaccion, de modo que en un modo de conduccion con cantidad deficiente de acido nltrico, es decir exceso de hierro, se realiza a traves de varias mezclas de reaccion una conversion completa de las materias primas usadas y no queda acido nltrico no consumido en la fase acuosa de la suspension de la hematita finamente dividida, que deba neutralizarse o eliminarse de manera costosa o que pudiera conducir en conversiones posteriores a desarrollos de reaccion indeseados.
La velocidad de adicion del acido nltrico en la etapa b) se selecciona de modo que debido a la reaccion exotermica del acido nltrico con el hierro metalico se produce un aumento de la temperatura de al menos 15 °C, preferentemente 20 °C, de manera muy especialmente preferente de 30 °C, y que se consiga en el transcurso de la reaccion en la mezcla de reaccion una temperatura maxima de 105 °C a 160 °C, preferentemente de 120 °C a 160 °C. Preferentemente se realiza la etapa b) del procedimiento de acuerdo con la invencion sin una alimentacion de calor externa. Esta temperatura maxima o la mas alta temperatura debla alcanzarse preferentemente en el intervalo de menos de 120 min, de manera especialmente preferente en el intervalo de menos de 90 min tras finalizar la adicion de acido nltrico. A este respecto aumenta la presion en el reactor, preferentemente en el reactor cerrado, hermetico a la presion hasta por encima de 0,1 MPa [1 bar], preferentemente hasta de 0,11 a 1 MPa [1,1 a 10 bar]. En esta reaccion se producen como producto secundario entre otras cosas oxidos de nitrogeno. La indicacion de una velocidad de adicion absoluta en “x ml de HNO3 / litro de volumen de mezcla de reaccion” no es posible en esta reaccion, dado que el aumento de la temperatura en la mezcla de reaccion durante y tras la adicion de acido nltrico depende, ademas de la velocidad de adicion en “x ml de HNO3 / litro de volumen de mezcla de reaccion”, de distintos parametros, tales como del tamano de la mezcla de reaccion, del aislamiento termico del recipiente de reaccion o del tipo de hierro metalico usado. Cuanto mas grande sea el tamano de la mezcla de reaccion, mas baja es la velocidad de adicion de HNO3 necesaria para llevar la mezcla de reaccion al intervalo de temperatura requerido segun las reivindicaciones. Cuanto mas alto sea el aislamiento termico del recipiente de reaccion, mas baja es la velocidad de adicion de HNO3 necesaria para llevar la mezcla de reaccion al intervalo de temperatura requerido segun las reivindicaciones. No es relevante para el alto factor de conversion, que se consigue con el procedimiento de acuerdo con la invencion, una velocidad de adicion absoluta en un determinado intervalo, sino el aumento de la
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temperatura de la mezcla de reaccion hasta los valores mencionados en las reivindicaciones, que se produce mediante la reaccion exotermica del acido nltrico con el hierro metalico, es decir sin alimentacion de calor externa. El experto determinara la velocidad de adicion de HNO3, que se requiere para conseguir el aumento de temperatura requerido segun las reivindicaciones, en el respectivo recipiente de reaccion mediante ensayos previos.
Se sabe que las altas concentraciones de acido nltrico pueden provocar una pasivacion de la chatarra de hierro. Sorprendentemente, sin embargo, el rapido aumento de la concentracion de HNO3 segun el procedimiento de acuerdo con la invention mediante la alta velocidad de adicion no provoca ninguna pasivacion del hierro, sino la ventaja tecnica de que la reaccion del hierro metalico con el acido nltrico discurra claramente de manera mas rapida y mas completa, sin embargo a pesar de ello de manea controlable y a pesar de ello conduzca a hematita finamente dividida altamente pura. De esta manera aumenta el factor de conversion molar segun el procedimiento de acuerdo con la invencion hasta un valor entre 1,3 y 1,8. Para las dos reacciones estequiometricas conocidas de acuerdo con
(1) 2 Fe + 2 HNO3 ^ Fe2O3 + 2 NO + H2O
(2) 8 Fe + 6 HNO3 + 3 H2O ^ 4 Fe2O3 + 3 NH4NO3
se calculan los factores de conversion molares en 1,0 (ecuacion de reaccion 1) o bien 1,33 (ecuacion de reaccion 2). Con los factores de conversion mas altos conseguidos con el procedimiento de acuerdo con la invencion deben recorrerse segun esto tambien otras reacciones. Los factores de conversion molares que se consiguen segun el procedimiento divulgado en el documento EP 1106577A, se encuentran segun estudios propios en menos de 1,3, parcialmente en menos de 1,0. Ademas son mas largos all! los tiempos de reaccion y con ello mas bajos los rendimientos de espacio-tiempo. Segun esto discurre la conversion del hierro durante este procedimiento probablemente segun las ecuaciones de reaccion (1) y/o (2). Dado que en la preparation de oxidos de hierro a escala industrial se usan cantidades de hierro en el intervalo de dos dlgitos a cuatro dlgitos de kg por mezcla de reaccion, significa la combination de los factores de conversion mas altos conseguidos junto con los rendimientos de espacio-tiempo mas altos y la elevada estabilidad de proceso una ventaja significativa en comparacion con el procedimiento de acuerdo con el estado de la tecnica.
Cuando en el procedimiento de acuerdo con la invencion mediante la reaccion del acido nltrico con el hierro metalico disminuye la concentracion de acido nltrico, disminuyen tambien la temperatura y la presion en el intervalo del reactor, preferentemente del reactor cerrado, hermetico a la presion. La reaccion se continua hasta que la temperatura de la reaccion haya disminuido hasta menos de 100 °C. Dado que la reaccion tras conseguir la temperatura maxima esta en gran parte finalizada, puede enfriarse el reactor tambien mediante medidas externas, por ejemplo refrigeration, hasta una temperatura inferior a 100 °C.
Tras finalizar la reaccion se encuentra la hematita finamente dividida en suspension acuosa y puede usarse o bien como suspension en otros procedimientos o puede lavarse y/o puede aislarse como solido mediante sedimentation, filtration o centrifugation.
La invencion se refiere tambien a la hematita finamente dividida, que se obtiene segun el procedimiento de acuerdo con la invencion. La hematita finamente dividida as! preparada o bien esta constituida en mas del 99 % en peso por a-Fe2O3 o puede contener eventualmente tambien proporciones de FeOOH, por ejemplo de a-FeOOH cristalino (goetita), de hasta el 5 % en peso, preferentemente menos del 1 % en peso. La hematita finamente dividida preparada segun el procedimiento de acuerdo con la invencion presenta una superficie BET especlfica de 40 m2/g a 150 m2/g, preferentemente de 60 m2/g a 120 m2/g (medida segun la norma DIN 66131). La hematita preparada segun el procedimiento de acuerdo con la invencion presenta una forma de partlcula redonda, ovalada o hexagonal y tiene un tamano de partlcula entre 20 y 100 nm. La hematita finamente dividida presenta una alta pureza, incluso cuando se usa hierro con contenidos de metales extranos mas altos como materia prima. Como metales extranos estan contenidos en la chatarra de hierro por regla general manganeso, cromo, aluminio, cobre, nlquel, cobalto, y/o titanio en las mas diversas concentraciones, que pueden precipitar durante la reaccion con acido nltrico tambien para dar oxidos u oxihidroxidos y pueden incorporarse en la hematita finamente dividida, siendo muy distintas las velocidades de incorporation. Segun el procedimiento de acuerdo con la invencion se incorpora por ejemplo manganeso con una velocidad de incorporacion del 0,5 % o inferior en la hematita, es decir con respecto a la chatarra de hierro que ha reaccionado se incorpora el 0,5 % o menos del manganeso contenido en la chatarra de hierro en el pigmento. Cuando se usa por ejemplo hierro metalico con un contenido de manganeso de 1000 ppm como materia prima, entonces la hematita finamente dividida obtenida segun el procedimiento de acuerdo con la invencion contiene, con una velocidad de incorporacion del 0,5 %, solo 5 ppm de Mn, con respecto a la proportion de hierro en el pigmento.
La hematita finamente dividida altamente pura preparada segun el procedimiento de acuerdo con la invencion ofrece una ventaja para una serie de aplicaciones tecnicas: permite el crecimiento de pigmentos especialmente puros y bien cristalizados, que debido a ello son especialmente de color intenso y brillantes. La hematita finamente dividida, altamente pura con una alta superficie es muy adecuada para aplicaciones tecnicas, en las que la pureza desempena un gran papel, por ejemplo en acumuladores, baterlas, aplicaciones medicas, como detector y es de gran importancia tecnica para catalizadores, dado que muchas impurezas actuan incluso en bajas cantidades como
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venenos de catalizador.
La invention se refiere tambien a un procedimiento para la preparation de pigmentos rojos de oxido de hierro, en el que se usa la hematita finamente dividida descrita anteriormente como germen.
Este procedimiento para la preparacion de pigmentos rojos de oxido de hierro comprende las etapas
i. preparar una suspension acuosa de hematita finamente dividida de acuerdo con el procedimiento de acuerdo con la invencion divulgado anteriormente
ii. hacer reaccionar la suspension acuosa de hematita finamente dividida como germen con una sal de hierro, un agente de precipitation alcalino bajo el efecto de gases que contienen oxlgeno o mediante reaction de hierro elemental, una sal de hierro y gases que contienen oxlgeno para dar una suspension de pigmento de hematita y
iii. eventualmente aislar el pigmento contenido en la suspension o tampoco.
Como sales de hierro se usan por ejemplo sulfato de hierro(II), nitrato de hierro(II), nitrato de hierro(III) o cloruro de hierro(II). Preferentemente se usan nitrato de hierro(II) y sulfato de hierro(II), de manera especialmente preferente nitrato de hierro(II).
Las sales de hierro se usan habitualmente en forma de sus soluciones acuosas.
Como agentes de precipitacion alcalinos pueden usarse por ejemplo NaOH, KOH, Na2CO3, K2CO3, NH3 o NH4OH u otros hidroxidos y carbonatos alcalinos y alcalinoterreos. Preferentemente se usan hidroxidos alcalinos o carbonatos alcalinos, de manera especialmente preferente se usa NaOH.
Los gases que contienen oxlgeno usados en el procedimiento de acuerdo con la invencion pueden ser por ejemplo aire, oxlgeno, NO2, O3 o mezclas de los gases mencionados. Se prefiere aire.
El aislamiento del pigmento contenido en la suspension se realiza mediante filtration y/o sedimentation y secado.
En formas de realization preferentes se realiza el procedimiento para la preparacion de pigmentos rojos de oxido de hierro tal como se ha descrito anteriormente, en el que adicionalmente
• la reaccion de la suspension acuosa de hematita finamente dividida como germen con una sal de hierro se realiza en presencia de hierro metalico a temperaturas entre 70 y 100 °C, y/o
• como sal de hierro se usa una solution acuosa de nitrato de hierro(II) y eventualmente una solution acuosa de sulfato de hierro(II) y/o
• la suspension acuosa de hematita finamente dividida se usa en una concentration entre 1 y 50 g/l, con respecto al volumen de la mezcla de reaccion al inicio de la reaccion, preferentemente entre 5 y 40 g/l, con respecto al volumen de la mezcla de reaccion al inicio de la reaccion y/o
• se usa hierro metalico en una concentracion entre 20 y 100 g/l, con respecto al volumen de la mezcla de reaccion al inicio de la reaccion y/o
• la mezcla de reaccion se gasifica durante el calentamiento hasta la temperatura de reaccion y / o durante la reaccion con un gas que contiene oxlgeno, preferentemente aire, entre 1 y 30 litros por hora y litro de volumen de reaccion durante un espacio de tiempo entre 2 y 150 horas.
A este respecto se ajusta la concentracion de la solucion de nitrato de hierro(II) por regla general con una solucion acuosa de nitrato de hierro(II) de concentracion mas alta de modo que esta se encuentra con respecto al volumen de la mezcla de reaccion al inicio de la reaccion entre 5 y 100 g/l, preferentemente entre 5 y 60 g/l.
En el caso del pigmento rojo de oxido de hierro, que se obtiene segun el procedimiento de acuerdo con la invencion en las distintas formas de realizacion, se trata de pigmentos de color puro y de color intenso, tal como se obtienen tambien segun el procedimiento de acuerdo con el documento EP 1106577A. Tambien los pigmentos rojos preparados segun el procedimiento de acuerdo con la invencion muestran en la prueba de color una saturation de color (C*) de mas de 39 unidades CIELAB.
Preferentemente pueden usarse los pigmentos rojos de oxido de hierro preparados segun el procedimiento de acuerdo con la invencion para la coloration de productos de la industria de pintura, laca, revestimiento, material de construction, plastico o papel, de alimentos, lacas de secado al horno o de revestimiento en bobinas, granulados de arena, ladrillos silicocalcareos, esmalte, esmaltes para ceramicas, asfalto o mantillo de cortezas, o de productos de la industria farmaceutica, preferentemente de comprimidos, o el uso como agente de adsorcion, detector, catalizador, o el uso como componente en baterlas o acumuladores, electrodos o para el uso como materia prima para la preparacion de otros oxidos de hierro o productos qulmicos de hierro.
Con un procedimiento de este tipo para la coloracion de productos de la industria de pintura, laca, revestimiento, material de construccion, plastico o papel, de alimentos, lacas de secado al horno o de revestimiento en bobinas, granulados de arena, ladrillos silicocalcareos, esmalte, esmaltes para ceramicas, asfalto o mantillo de cortezas, o de
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productos de la industria farmaceutica, preferentemente de comprimidos, que usa la hematita finamente dividida preparada segun el procedimiento de acuerdo con la invencion o el pigmento rojo de oxido de hierro preparado segun el procedimiento de acuerdo con la invencion, realizandose la coloracion segun procedimientos en si conocidos.
Ejemplos y procedimientos
I. Descripcion de los procedimientos de medicion y prueba usados
1.1 La superficie BET especfica se midio segun la norma DIN 66131.
1.2 Factor de conversion molar
El factor de conversion molar, que expresa cuantos moles de hierro se hacen reaccionar por mol de acido nltrico usado, se determina pesandose el hierro usado en la reaccion en estado seco antes del inicio de la reaccion y pesandose el hierro que ha quedado tras la reaccion en el reactor. Para ello se separa por lavado el hierro humedo tras la reaccion de restos de pigmento, y se seca a 80 °C durante 24 h, y se pesa tras el enfriamiento. La diferencia entre la chatarra de hierro usada y la chatarra de hierro secada, que queda tras la reaccion se calcula en “mol de Fe” y se divide el valor de “mol de Fe” entre el valor de “mol de HNO3” (con respecto a la cantidad de HNO3 usado), de lo cual resulta el factor de conversion molar.
1.3 Contenido de manganeso
La muestra se mezcla con acido y se disuelve en el microondas hasta que se disolvio completamente la muestra. A continuacion se mide el contenido de manganeso mediante espectrometrla de emision optica por medio de plasma acoplado de manera inductiva (ICP-OES). A traves de este procedimiento pueden medirse tambien otros contenidos de metales extranos.
II. Ejemplos
Ejemplo 1:
Se disponen 8,44 kg (151,1 mol) de chapa para estampar de hierro (espesor 0,8 mm) en 61,3 kg de agua y se calientan hasta 80 °C. Se anaden 18,67 kg de acido nltrico al 30 % en peso (88,9 mol) en el intervalo de 10 min con una velocidad de adicion de 1851 g/min. La cantidad de acido nltrico anadido corresponde a una concentration inicial calculada del 7 % en peso en la mezcla de reaccion. La temperatura de la mezcla de reaccion aumenta en el intervalo de 20 min tras la finalization de la adicion de acido nltrico hasta un maximo de 151 °C, y la presion aumenta y se limita a 4,3 bar. Se produce una suspension de la hematita, a partir de la cual se obtienen tras filtration y secado del residuo 12,06 kg de hematita finamente dividida. La hematita as! obtenida presenta una superficie BET segun la norma DIN 66131 de 48 m2/g. El factor de conversion molar de hierro metalico con respecto al acido nltrico usado asciende a 1,7.
Ejemplo 2:
Se disponen 5,42 kg (97,1 mol) de clavos de alambre de hierro (clavos) en 68,2 kg de agua y se calientan hasta 80 °C. Se anaden 11,84 kg de acido nltrico al 30,4 % en peso (57,1 mol) en el intervalo de 10 min con una velocidad de adicion de 1174 g/min. La cantidad de acido nltrico anadido corresponde a una concentracion inicial calculada del 4,5 % en peso en la mezcla de reaccion. La temperatura de la mezcla de reaccion aumenta en el intervalo de 60 min tras la finalizacion de la adicion de acido nltrico hasta un maximo de 125 °C, y la presion aumenta y se limita a 4,5 bar. se produce una suspension de la hematita, a partir de la cual se obtienen tras filtracion y secado del residuo 6,54 kg de hematita finamente dividida. La hematita as! obtenida presenta una superficie BET segun la norma DIN 66131 de 73 m2/g. El factor de conversion molar de hierro metalico con respecto al acido nltrico usado asciende a 1,43.
Ejemplo 3:
Se disponen 8,44 kg (151,1 mol) de clavos de alambre de hierro (clavos) en 61,3 kg de agua y se calientan hasta 95 °C. Se anaden 18,67 kg de acido nltrico al 30 % en peso (88,9 mol) en el intervalo de 10 min con una velocidad de adicion de 1851 g/min. La cantidad de acido nltrico anadido corresponde a una concentracion inicial calculada del 7 % en peso en la mezcla de reaccion. La temperatura de la mezcla de reaccion aumenta en el intervalo de 30 min tras la finalizacion de la adicion de acido nltrico hasta un maximo de 143 °C, y la presion aumenta y se limita a 3,4 bar. Se produce una suspension de la hematita, a partir de la cual se obtienen tras filtracion y secado del residuo 10,67 kg de hematita finamente dividida. La hematita as! obtenida presenta una superficie BET segun la norma DIN 66131 de 51 m2/g. El factor de conversion molar de hierro metalico con respecto al acido nltrico usado asciende a 1,5.
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Tamano de partfcula: las hematitas finamente divididas preparadas de acuerdo con la invencion presentan un tamano de partlcula inferior o igual a 100 nm. El 90 % de las partlculas de las hematitas finamente divididas preparadas de acuerdo con la invencion presentan un tamano de partlcula de 30 a 90 nm. El tamano de partlcula se determina mediante microscopla electronica.
Ejemplo de comparacion 4:
Se disponen 5,42 kg (97,1 mol) de clavos de alambre de hierro (clavos) en 68,2 kg de agua y se calientan hasta 80 °C. Se anaden 11,84 kg de acido nltrico al 30,4 % en peso (57,1 mol) en el intervalo de 59 min con una velocidad de adicion de 200 g/min. La cantidad de acido nltrico anadido corresponde a una concentracion inicial calculada del 4,5 % en peso en la mezcla de reaccion. La temperatura de la mezcla de reaccion aumenta en el intervalo de 140 min tras la finalizacion de la adicion de acido nltrico hasta un maximo de 91 °C, y la presion aumenta y se limita a 4 bar. Se produce una suspension de la hematita, a partir de la cual se obtienen tras filtracion y secado del residuo 4,38 kg de hematita finamente dividida. La hematita as! obtenida presenta una superficie BET segun la norma DIN 66131 de 131 m2/g. El factor de conversion molar de hierro metalico con respecto al acido nltrico usado asciende a 0,96.
Ejemplo de comparacion 5:
Se disponen 319 g (5,71 mol) de chapa para estampar de hierro (espesor 1,6 mm) en 3,2 kg de agua y se calientan hasta 95 °C. Se anaden 803 g de acido nltrico al 29,9 % en peso (3,81 mol) en el intervalo de 80 min con una velocidad de adicion de 10 g/min. La cantidad de acido nltrico anadido corresponde a una concentracion inicial calculada del 6 % en peso en la mezcla de reaccion. La temperatura de la mezcla de reaccion aumenta en el intervalo de 1 min tras la finalizacion de la adicion de acido nltrico hasta un maximo de 99 °C, y la presion aumenta y se limita a 4 bar. Se produce una suspension de la hematita, a partir de la cual se obtienen tras filtracion y secado del residuo 320 g de hematita finamente dividida. La hematita as! obtenida presenta una superficie BET segun la norma DIN 66131 de 83 m2/g. El factor de conversion molar de hierro metalico con respecto al acido nltrico usado asciende a 1,22.
Ejemplo de comparacion 6
Se disponen 5,42 kg (97,1 mol) de chapa para estampar de hierro (espesor 2 mm) en 68 kg de agua y se calientan hasta 80 °C. Se anaden 12 kg de acido nltrico al 30 % en peso (57,1 mol) en el intervalo de 10 min con una velocidad de adicion de 1190 g/min. La cantidad de acido nltrico anadido corresponde a una concentracion del 4,5 % en peso en la mezcla de reaccion. La temperatura de la mezcla de reaccion aumenta en el intervalo de 10 min tras el final de la adicion de acido nltrico hasta un maximo de 83 °C. Se produce una suspension de la hematita, a partir de la cual se obtienen tras filtracion y secado del residuo 3,9 kg de hematita finamente dividida. La hematita as! obtenida presenta una superficie BET segun la norma DIN 66131 de 166 m2/g. El factor de conversion molar de hierro metalico con respecto al acido nltrico usado asciende a 0,86.
Ejemplo 7 (pigmento rojo de oxido de hierro)
Se disponen 367 g de hierro, 0,66 mol de la suspension de la hematita finamente dividida del ejemplo 1 (que corresponde a 15 g/l con respecto al volumen de reaccion al inicio de la reaccion), 1,56 mol de Fe(NO3)2 (40 g/l con respecto al volumen de reaccion al inicio de la reaccion) y se rellenan con agua hasta obtener un volumen de 7 l. La mezcla de reaccion se calienta hasta 85 °C y se forma con 52,5 l/h de gasificacion con aire durante 72 horas. El pigmento se filtra, y se lava en menos de 2 mS de conductividad, y se seca a 80 °C en el armario de secado. Se formo un pigmento rojo de hematita.

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para la preparacion de hematita finamente dividida con un tamano de partlcuia inferior o igual a 100 nm y una superficie BET especlfica de 40 m2/g a 150 m2/g, (medida segun la norma DIN 66131), que comprende al menos las etapas de
    a) facilitar una mezcla de hierro metalico y agua con una temperatura de 60 a 120 °C,
    b) anadir acido nltrico diluido a la mezcla de la etapa a), en el que la mezcla de reaccion alcanza una temperatura maxima de 105 a 160 °C,
    c) separar la suspension acuosa de hematita finamente dividida del hierro metalico que eventualmente no ha reaccionado,
    d) eventualmente aislar la hematita finamente dividida de la suspension acuosa separada.
  2. 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que en la etapa b) se realiza la adicion de acido nltrico diluido con una velocidad de adicion a la mezcla de la etapa a) tal que la mezcla de reaccion se calienta al menos 15 °C en el intervalo de menos de 120 min tras finalizar la adicion de acido nltrico.
  3. 3. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que la hematita finamente dividida presenta un tamano de partlcula entre 20 y 100 nm.
  4. 4. Procedimiento de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, en el que en la etapa a) se realiza el calentamiento de una mezcla de hierro metalico y agua hasta de 75 a 120 °C.
  5. 5. Procedimiento de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 4, en el que en la etapa b) aumenta la
    presion en el recipiente cerrado hasta por encima de 1000 hPa.
  6. 6. Procedimiento de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, en el que en la etapa b) la proporcion del Fe usado en moles con respecto a HNO3 usado en moles asciende a mas de 1,33:1 a 16:1.
  7. 7. Procedimiento de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 6, en el que en la etapa b) la proporcion
    del hierro usado en moles con respecto a HNO3 usado en moles asciende a mas de 1,5 a 4.
  8. 8. Procedimiento de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 7, en el que en la etapa b) la proporcion
    del Fe usado en moles con respecto a HNO3 usado en moles asciende a mas de 1,33 a 1,8.
  9. 9. Procedimiento de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el acido nltrico diluido
    presenta una concentracion del 10 % al 67 % en peso de HNO3, preferentemente del 20 % al 67 % en peso.
  10. 10. Procedimiento de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la cantidad anadida de HNO3 con respecto al peso de la mezcla de reaccion asciende a del 2 % al 15 % en peso.
  11. 11. Procedimiento para la preparacion de pigmentos rojos de oxido de hierro, que comprende las etapas
    i. preparar una suspension acuosa de hematita finamente dividida de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 10,
    ii. hacer reaccionar la suspension acuosa de hematita finamente dividida con una sal de hierro, un agente de precipitacion alcalino bajo el efecto de gases que contienen oxlgeno o mediante reaccion de hierro elemental, una sal de hierro y gases que contienen oxlgeno para dar una suspension de pigmento de hematita y
    iii. eventualmente aislar el pigmento contenido en la suspension.
  12. 12. Procedimiento para la preparacion de pigmentos rojos de oxido de hierro de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que cuando en la etapa ii) se realiza la reaccion de la suspension acuosa de hematita finamente dividida como germen con una sal de hierro en presencia de hierro metalico, en la etapa ii) se usa hierro metalico en una concentracion de entre 20 y 100 g/l con respecto al volumen de la mezcla de reaccion al inicio de la reaccion.
  13. 13. Procedimiento para la preparacion de pigmentos rojos de oxido de hierro de acuerdo con las reivindicaciones 11 o 12, en el que cuando en la etapa ii) se realiza la reaccion de la suspension acuosa de hematita finamente dividida como germen con una sal de hierro en presencia de hierro metalico, la etapa ii) se realiza a temperaturas de entre 70 y 100 °C.
  14. 14. Procedimiento para la preparacion de pigmentos rojos de oxido de hierro de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 11 a 13, en el que cuando en la etapa ii) se realiza la reaccion de la suspension acuosa de hematita finamente dividida como germen con una sal de hierro, un agente de precipitacion alcalino bajo el efecto de gases que contienen oxlgeno, en la etapa ii) se gasifica la mezcla de reaccion durante el calentamiento hasta la temperatura de reaccion y/o durante la reaccion con un gas que contiene oxlgeno, preferentemente aire, entre 1 y 30 litros por hora y litro de volumen de reaccion durante un espacio de tiempo de entre 2 y 150 horas.
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