KR20230159882A - 광석 용해 및 철 전환 시스템 - Google Patents
광석 용해 및 철 전환 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
철-함유 광석 용해 방법 및 시스템이 개시된다. 예를 들어,
철-함유 광석의 하나 이상의 비(非)-마그네타이트 산화철 물질을 열적 환원, 이로 인해 열적-환원된 광석을 형성; 및
산성의 철-염 용액은 전기화학적 셀에서 전기화학적 생성된 양성자를 포함하는,
산성의 철-염 용액을 형성하기 위해 산을 이용하여 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법.
철-함유 광석의 하나 이상의 비(非)-마그네타이트 산화철 물질을 열적 환원, 이로 인해 열적-환원된 광석을 형성; 및
산성의 철-염 용액은 전기화학적 셀에서 전기화학적 생성된 양성자를 포함하는,
산성의 철-염 용액을 형성하기 위해 산을 이용하여 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법.
Description
본 출원은 일반적으로 전기화학 및 습식 야금(hydrometallurgy) 분야, 특히 전기화학 및/또는 습식 야금 공정을 사용하여 철 함유 공급 원료로부터 철을 추출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 3월 24일에 출원된 미국 임시 특허 출원 일련번호 63/165,502의 혜택과 우선권을 주장하며, 이는 본 출원과 모순되지 않는 범위 내에서 모든 목적을 위해 본 출원 전체에 참조로 통합되어 있다.
정부 자금 지원
본 출원의 발명은 미국 국립과학재단이 수여한 어워드(Award) 번호 2039232 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 가진다.
배경
산화철 광석은 산소를 제거함으로써(즉, 산화물을 환원시킴으로써) 비교적 순수한 금속 철로 전환될 수 있고, 후속 공정에서 유용한 상품으로 가공될 수 있는 형태로 금속 철을 회수할 수 있다. 그런 후 철(iron)은 만들려는 강철(steel)의 종류에 따라 소량의 탄소 및 기타 원소를 추가하여 강철로 만들 수 있다. 수천 년 동안 이 두 가지 작업 (환원 및 탄소 첨가)은 주로 석탄 (또는 코크스)을 연소하여 생성된 탄소 존재 하 철광석을 매우 높은 온도(예: 약 1,700 ºC)로 가열하여 달성되었다. 석탄이나 코크스를 태울 때 제조되는 일산화탄소는 산화철의 산소와 결합하여 산화물을 금속 철로 환원하고 이산화탄소를 방출한다. 실제로 현대 철강 생산은 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 10%를 차지한다.
요약
본 명세서에는 철 함유 광석 및/또는 다른 철 함유 원료로부터 실질적으로 순수한 금속 철을 제조하기 위한 방법 및 관련 시스템이 제공된다. 본 명세서에는 화석 연료를 연소시킬 필요 없이 화학적 및/또는 전기화학적 전환 기술을 사용하여 철광석 또는 기타 불순한 상태의 철을 금속 철로 전환하는 다양한 실시예 방법 및 시스템이 설명된다. 특히, 본 명세서에 설명된 다양한 실시예들은 철광석 물질을 산성 용액에 용해시키고, 산성 용액의 특성을 화학적 및/또는 전기화학적으로 조정하고, 전기화학 셀에서 산성 용액으로부터 철 (및 선택적으로 다른 금속)을 전기 도금하는 것을 제공한다.
시스템 및 방법의 다양한 실시예는, 광석 용해를 향상 또는 가속화하기 위해 산성 용액의 변수(parameter)를 조정하기 위한 적어도 제1 독립적인 전기 화학 공정 및 산성 용액으로부터 철을 전기 도금하기 위한 제2 독립적인 전기 화학 공정을 포함한다.
선택적으로, 본원에 개시된 방법의 실시예는 철 함유 광석으로부터 철을 전기 도금하기 위한 공정을 제공할 수 있으며, 그래서 물과 산이 공정의 일부로서 재생되는, 정상 상태 작동이 실질적으로 철 함유 광석으로 구성된 전체 입력 및 실질적으로 고순도 철로 구성된 전체 출력을 특징으로 한다. 선택적으로, 본원에 개시된 방법의 실시예는 정상 상태 작동 동안 CO2의 발생이 실질적으로 없는, 철 함유 광석으로부터 철을 전기 도금하는 공정을 제공할 수 있다. 선택적으로, 본원에 개시된 방법의 실시예는 정상 상태 작동 동안 Cl2(g)의 생성이 실질적으로 없는, 철 함유 광석으로부터 철을 전기 도금하는 공정을 제공할 수 있다. 선택적으로, 본원에 개시된 방법의 실시예는 또한 본원의 실시예에 따라 생산된 고순도 철을 사용하여 강철을 제조하는 공정을 포함할 수 있다.
개시된 것은,
환원제의 존재 하 마그네타이트를 형성하기 위해 철-함유 광석의 하나 이상의 비(非)-마그네타이트 산화철 물질을 열적 환원, 이로 인해 열적-환원된 광석을 형성; 및
산성의 철-염 용액은 전기화학적 셀에서 전기화학적 생성된 양성자를 포함하는,
산성의 철-염 용액을 형성하기 위해 산을 이용하여 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법이다.
또한 개시된 것은,
용해 탱크에서, 철-함유 광석의 부분을 용해하기 위해 철-함유 광석을 산과 접촉, 이로 인해 용해된 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성;
전기화학적 셀은 환원전극 챔버에서 환원전극액으로써 작용하는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분의 존재 하 환원전극, 산화전극액의 존재 하 산화전극, 및 산화전극액으로부터 환원전극액을 분리하는 분리기를 포함하는,
용해 탱크와 전기화학적 셀의 환원전극 챔버 사이에서 산성의 철-염 용액의 부분을 재순환;
환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 환원전극에서 환원전극액으로부터 용해된 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 전기화학적으로 환원; 및
철-함유 광석의 존재 하 용해 탱크에서 산성의 철-염 용액은 적어도 0.2M (선택적으로, 예를 들어, 적어도 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4 또는 5 M이고, 정상 상태 자유 양성자 농도는 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 5 또는 6 M 미만이되, 이러한 값은 어떠한 방식으로든 결합하여 범위를 형성할 수 있음, 예를 들어 0.2-6M)의 정상 상태 자유 양성자 농도를 특징으로 하는,
전기화학적 셀에서 양성자를 전기화학적 생성 및 전기화학적 생성된 양성자를 환원전극액으로 제공;을 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법이다.
추가적으로 개시된 것은,
환원제는 H2 가스를 포함하고, 및
상기 H2 가스의 적어도 부분은 철 금속과 산의 반응을 통해 화학적으로 생성되고 및/또는 H2 가스의 적어도 부분은 철 전기도금 공정의 기생 수소 발생 반응을 통해 전기화학적으로 생성되는,
환원제의 존재 하 마그네타이트를 형성하기 위해 철-함유 광석의 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질을 열적 환원, 이로 인해 열적-환원된 광석을 형성; 및
산성의 철-염 용액을 형성하기 위해 산성 용액을 이용하여 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하되,
상기 용해 단계는 상기 산성 용액에서 형성된 마그네타이트를 용해;를 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법이다.
부가적으로 개시된 것은,
제1 산에서 제1 광석의 용해는 제1 용해 탱크에서 용해된 Fe3+ 이온을 포함하는 제1 산성의 철-염 용액을 형성하는,
제1 산을 사용하여 제1 철-함유 광석을 용해시키는 제1 용해 탱크;
전기화학적 셀은 환원전극 존재 하 환원전극액을 갖는 환원전극 챔버, 산화전극의 존재 하 산화전극액을 갖는 산화전극 챔버, 및 상기 환원전극액과 산화전극액을 분리하는 분리기를 포함하는,
제1 용해 탱크에 유체적으로 연결된 전기화학적 셀; 및
제1 산성의 철-염 용액으로부터의 Fe3+ 이온의 적어도 부분은 환원전극에서 환원전극액의 Fe2+ 이온으로 전기화학적으로 환원되어, 이로 인해 제1 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 소비하는,
제1 용해탱크로부터 환원전극 챔버로 제1 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 및 전기화학적 셀로부터 제1 용해탱크로 환원전극액의 적어도 부분을 순환시키는 제1 순환 서브시스템;을 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 시스템이다.
개시된 것은,
제1전기화학적 셀은 제1산화전극(anode)의 존재 하 제1산화전극액(anolyte)을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1환원전극(cathode)의 존재 하 제1환원전극액(catholyte)을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1환원전극액으로부터 제1산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하며,
상기 제1산화전극액은 제1 환원전극액과는 다른 조성을 가지는,
철-함유 광석을 갖는 공급 원료를 제1전기화학적 셀을 포함하는 용해 서브시스템에 제공;
용해된 제1 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성하도록 철-함유 광석의 적어도 부분을 산을 이용하여 용해;
제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버에 제공;
Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극액의 상기 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 제1 전기화학적 환원;
형성된 Fe2+ 이온을 용해 서브시스템에서 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금(plating) 서브시스템으로 이동;
제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극에서 이동된 형성된 Fe2+ 이온의 제1 부분을 Fe 금속으로 제2 전기화학적 환원; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거, 이로 인해 철 생산;
을 포함하는, 철 생산 방법이다.
또한 개시된 것은,
제1전기화학적 셀은 제1산화전극의 존재 하 H2 가스를 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하는, 철-함유 광석을 갖는 공급 원료를 제1 전기화학적 셀을 포함하는 용해 서브시스템에 제공;
용해된 제1 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성하도록 철-함유 광석의 적어도 부분을 산을 이용하여 용해;
제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버에 제공;
Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극액의 상기 Fe3+ 이온을 제1 전기화학적 환원;
형성된 Fe2+ 이온을 용해 서브시스템에서 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템으로 이동;
제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극에서 이동된 형성된 Fe2+ 이온의 제1부분을 제2 전기화학적 환원; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거, 이로 인해 철 생산;
을 포함하는, 철 생산 방법이다.
추가적으로 개시된 것은,
용해 탱크 및 상기 용해 탱크에 유체적으로 연결되는 제1 전기화학적 셀을 갖는 용해 서브시스템으로,
상기 제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리시키는 제1 분리기를 포함하고,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과 다른 조성을 가지는, 용해 서브시스템;
상기 용해 서브 시스템과 유체적으로 연결되고 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템;
상기 용해 서브 시스템과 상기 철-도금 서브 시스템 사이 제1 서브시스템-간 유체적 연결로써,
상기 용해 탱크는 철-함유 광석을 갖는 공급 원료를 받고,
상기 용해 탱크는 용해된 제1 Fe3+ 이온을 생성하기 위해 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해하는 산성의 철-염 용액을 포함하고,
제1 Fe3+ 이온은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극에서 전기화학적으로 환원되고,
형성된 Fe2+ 이온은 제1 서브시스템-간 유체적 연결을 통해 용해 서브시스템에서 철-도금 서브시스템으로 이동하며,
제2 전기화학적 셀은 전달된 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1 부분을 Fe 금속으로 환원시키는 제2 환원전극을 포함하며,
Fe 금속은 제2 전기화학적 셀로부터 제거되는, 제1 서브시스템-간 유체적 연결;을 포함하는, 철 생산 시스템이다.
부가적으로 개시된 것은,
용해 탱크 및 상기 용해 탱크에 유체적으로 연결되는 제1 전기화학적 셀을 갖는 용해 서브시스템으로,
상기 제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극 존재 하 H2 가스을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리시키는 제1 분리기를 포함하는, 용해 서브시스템;
상기 용해 서브 시스템과 유체적으로 연결되고 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템;
상기 용해 서브 시스템과 상기 철-도금 서브 시스템 사이 제1 서브시스템-간 유체적 연결로써,
상기 용해 탱크는 철-함유 광석을 갖는 공급 원료를 받고,
상기 용해 탱크는 용해된 제1 Fe3+ 이온을 생성하기 위해 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해하는 산성의 철-염 용액을 포함하고,
제1 Fe3+ 이온은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극에서 전기화학적으로 환원되고,
형성된 Fe2+ 이온은 제1 서브시스템-간 유체적 연결을 통해 용해 서브시스템에서 철-도금 서브시스템으로 이동하며,
제2 전기화학적 셀은 전달된 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1 부분을 Fe 금속으로 환원시키는 제2 환원전극을 포함하며,
Fe 금속은 제2 전기화학적 셀로부터 제거되는, 제1 서브시스템-간 유체적 연결;을 포함하는, 철 생산 시스템이다.
개시된 것은,
제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극의 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하는,
철-함유 광석 및 하나 이상의 불순물을 갖는 공급 원료를 제1 전기화학적 셀을 포함하는 용해 서브시스템에 제공;
용해된 제1 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성하도록 철-함유 광석의 적어도 부분을 산을 이용하여 용해;
제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버에 제공;
Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극액의 상기 Fe3+ 이온을 제1 전기화학적 환원;
형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분 및 상기 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 갖는 철-풍부 용액을 용해 서브시스템에서 생산;
철-풍부 용액으로부터 상기 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 제거하기 위해 철-풍부 용액의 적어도 제1부분을 처리;로, 이로 인해 상기 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 갖는 처리된 철-풍부 용액을 형성;으로,
상기 처리 단계는 철-풍부 용액의 pH를 초기 pH에서 조정된 pH로 올리기, 이로 인해 처리된 철-풍부 용액에서 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 침전;을 포함하는, 철 풍부 용액의 적어도 제1부분을 처리;
처리된 철-풍부 용액의 적어도 제1부분을 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템으로 전달;
제2 전기화학적 셀의 제2 환원 전극에서 전달된 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1 부분을 Fe 금속으로 제2 전기화학적 환원; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거, 이로 인해 철 생산;
을 포함하는, 철 생산 방법이다.
또한 개시된 것은,
제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극의 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하는,
제1 용해 탱크 및 상기 제1 용해 탱크에 유체적으로 연결된 제1 전기화학적 셀을 갖는 용해 서브시스템; 및
용해 서브시스템에 유체적으로 연결되고 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템; 및
제1 용해 탱크는 하나 이상의 철-함유 광석 및 하나 이상의 불순물을 갖는 공급 원료를 받고,
제1 용해 탱크는 산성의 철-염 용액에서 용해된 제1 Fe3+ 이온을 생성하기 위해 하나 이상의 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해하는 산성의 철-염 용액을 포함하고,
제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분이 제1 환원전극 챔버로 제공되고,
제1 Fe3+ 이온은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극에서 전기화학적으로 환원되고,
형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분 및 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 갖는 철-풍부 용액은 용해 서브시스템에서 형성되고;
철-풍부 용액의 적어도 부분은 철-풍부 용액에서 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 제거하기 위해 제1 불순물 제거 서브시스템에 제공되어, 이로 인해 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 갖는 처리된 철-풍부 용액을 형성하고,
여기서 하나 이상의 불순물의 제거된 부분 침전을 위해 초기 pH에서 조정된 pH로 제1 불순물 제거 서브시스템에서 철-풍부 용액의 pH가 오르며,
처리된 철-풍부 용액의 적어도 제1부분은 제1 불순물-제거 서브시스템에서 철-도금 서브시스템으로 전달되고,
제2 전기화학적 셀은 이동된 전달된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 Fe 금속으로 환원하기 위해 제2 환원전극을 포함하고,
Fe 금속은 제2 전기화학적 셀로부터 제거되는,
제1 불순물-제거 서브시스템;을 포함하는, 철 생산 시스템이다.
추가적으로 개시된 것은,
제1 용해 탱크에서, 제1 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해하기 위해 제1 철-함유 광석을 산과 접촉, 이로 인해 용해된 제1 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성;
제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극의 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하는,
제1 용해 탱크와 제1 전기화학적 셀의 제1 환원전극 챔버 사이에서 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 순환시키는 것, 이로 인해 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버의 제1 환원전극으로 제공;
제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극에서 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 제1 전기화학적 환원;
상기 순환시키는 것의 단계는 제1 환원전극액으로부터 산성의 철-염 용액으로 전기화학적으로 생성된 양성자의 적어도 부분과 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 제공;을 포함하는,
제1 전기화학적 셀에서 양성자를 전기화학적 생성;
용해 서브시스템은 제1 용해 탱크와 제1 전기화학적 셀을 포함하는,
용해 서브시스템에서 형성된 Fe2+ 이온을 갖는 제1 철-풍부 용액을 생산;
철-도금 서브시스템은 제2 전기화학적 셀을 포함하는,
제1 철-풍부 용액의 적어도 부분을 철-도금 서브시스템으로 이동;
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버, 제2 산화전극의 존재 하 제2 산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제2 분리기를 포함하는,
제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극에서 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1 부분을 Fe 금속으로 제2 전기화학적 환원; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거, 이로 인해 철 생산;
을 포함하는, 철 생산 방법이다.
부가적으로 개시된 것은,
제1 용해 탱크에서, 철-함유 광석은 상기 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해시키기 위해 산과 접촉하여 이로 인해 용해된 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성하고,
제1 순환 서브시스템은 제1 용해 탱크와 제1 전기화학적 셀의 제1 환원전극 챔버 사이에서 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 순환시켜, 이로 인해 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버의 제1 환원전극액으로 제공하고,
제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극의 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하고,
제1 전기화학적 셀은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원 전극에서 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 전기화학적으로 환원하고,
제1 전기화학적 셀은 전기화학적으로 양성자를 생성하고 전기화학적으로 생성된 양성자를 환원전극액으로 제공하고, 제1 순환 시스템은 제1환원전극액으로부터 산성의 철-염 용액으로 전기화학적으로 생성된 양성자를 제공하고, 및
제1 서브시스템에서 생산된 철-풍부 용액은 형성된 Fe2+ 이온을 포함하는,
용해 서브시스템이 제1 용해 탱크, 제1 전기화학적 셀, 및 제1 순환 서브시스템을 포함하는, 철-풍부 용액을 생산하는 용해 서브시스템;
철-풍부 용액의 적어도 부분을 철-도금 서브시스템으로 이동하는 제1 서브시스템-간 유체적 연결을 포함하는 전이 서브시스템;
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버, 제2 산화전극의 존재 하 제2 산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버, 및 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제2 분리기를 포함하고,
이동된 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1부분은 제2 환원전극에서 Fe 금속으로 전기화학적으로 환원되는,
제2 전기화학적 셀을 포함하는 철-도금 서브시스템; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거하여, 이로 인해 철을 생산하는 철-제거 서브시스템;을 포함하는, 철 생산 시스템이다.
도 1A는 전기 도금과 산소 생성을 결합하여 철을 만드는 가능한 접근법의 개략도이다.
도 1B는 철 공급 원료를 황산에 용해시키고, 대략적인 pH 범위를 갖는 예시적인 산 화학을 사용하여 전기 도금과 산소 생성을 결합하여 철을 만드는 가능한 접근법의 개략도이다.
도 2는 공급 원료 용해 및 산 재생 서브 시스템을 설명하는 개략도이다.
도 3은 철 도금 서브 시스템을 설명하는 개략도이다.
도 4는 다양한 서브 시스템을 갖는 2단계 철 변환 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 5A 및 도 5B는 용해 서브 시스템으로부터 도금 서브 시스템의 산화전극 및 환원전극 탱크로 철 풍부 산성 용액을 할당하기 위한 대체 공정을 설명하는 개략적인 공정 흐름도이다.
도 6은 산소 발생(evolution)을 포함하는 산 재생 서브시스템을 포함하는 다양한 서브시스템을 갖는 2단계 철 전환 시스템을 예시하고, 서브시스템들 사이의 가능한 유체 흐름을 더 보여주는 모식도이다.
도 7A은 산 재생과 철 환원을 결합하는 용해 동안 산 재생 셀에서 Fe3+ (ferric)이 Fe2+ (ferrous)로 전환되고, 산이 생성되는 것을 보여주는 실험 데이터를 나타내는 그래프이다: 도금 공정의 종료를 나타내는 1.8 M 황산철의 스타팅(starting) 용액을 사용하여, [Fe2+] 농도의 증가에 의해 입증되는 바와 같이 전기 화학 셀 (1)에서 전기 화학적 환원에 의해 Fe2+ (ferrous)가 생성되었다. 생성된 산은 총 최종 철 농도가 2.5 M 이었기에 산화철의 추가 용해를 가능하게 하였다.
도 7B는 다양한 농도의 황산에서 헤마타이트 및 마그네타이트 광석의 용해 속도를 나타내는 실험 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 7C는 황산에서 광석의 용해 속도를 나타내는 실험 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 8A는 다양한 용액 pH 값에서 다양한 금속 수산화물의 용해도를 나타내는 용해도 다이어그램이다.
도 8B 및 도 8C는 다양한 인산철 및 산화철의 용해도를 나타내는 용해도 다이어그램이다.
도 8D는 인산철 및 수산화철의 용해도를 나타내는 용해도 다이어그램이다.
도 8E는 인산 알루미늄과 수산화 알루미늄의 용해도를 나타내는 용해도 다이어그램이다.
도 9는 헤마타이트와 같은 산화철을 마그네타이트로 변환하는 공정에서 철 전기 도금 중에 생성된 H2의 사용과, 이후 산 재생 셀과 결합된 마그네타이트의 용해를 포함하는, 특정 예시적인 실시예를 나타내는 공정 흐름도(process flow diagram)이다.
도 10은 산 재생 시스템에 결합된 다양하게 처리된 광석을 용해시키는 예시적인 시스템 및 공정을 설명하는 개략적인 시스템 다이어그램이다.
도 11은 선택적인 중간 처리 단계를 포함하는, 고체 철 공급 원료를 순수한 도금된 철로 전환하는 공정을 개략적으로 설명하는 공정 흐름도이다.
도 12는 5% H2-95% Ar 가스를 사용하여 헤마타이트를 마그네타이트로 환원하기 위한 알파 (α) 대 시간 (time) 플롯(plot)이다.
도 13a는 특정 실시예에 따른 예시적인 플로우 셀의 다이어그램이다.
도 13B는 염화물 및 황산염 화학을 사용한 전기 제련에 대한, 효율 대 pH의 플롯이다. Fe 도금 효율은 황산염 화학에서 pH ≥ 2에 대해 80% 초과이다.
도 14는 예시적인 산 재생 셀의 다이어그램이다. 예를 들어, 이 셀은 97% 초과의 페러데이 효율에서 400mA/cm2에서 작동할 수 있다.
도 15는 염산 화학에서, 수소 발생이 염산의 농도를 통해 제어되는 pH와 함께, pH 2 미만에서 현저하게 높은 속도로 발생하는 것을 보여주는 CV 주사(스윕, sweep) 차트이다.
도 16A-16B는 인셋(inset)에 요약된 파라미터가 도시된, 1M NH4Cl (도 16A) 또는 1M (NH4)SO4 (도 16B) 존재 하 20C (도 16A) 및 60C (도 16B)에서의 전류 밀도 대 전압 플롯이다. 염화물은 실온(room temperature)에서 황산염보다 낮은 수소 발생을 가지고, 60°C에서 비슷한 속도를 가진다.
도 17A-17B는 인셋(inset)에 특정 파라미터가 요약된, Fe(II)/Fe(s) (도 17A) 및 Fe(III)/Fe(II) 화학에 대한 전류 밀도 대 전압 플롯이다. 염화물 농도 증가는 Fe(II)/Fe(s) 및 Fe(III)/Fe(II) 쌍 모두에 대한 가역성을 향상시킨다.
도 18은 본 명세서에 설명된 철 전환 공정을 수행하도록 구성된 화학 플랜트를 나타내는 개략도이다.
도 19는 산 재생 셀 전류 전압 곡선의 예시이다.
도 20은 도금 셀 전류-전압 곡선의 예시이다.
도 21A - 21C는 상당한 양의 지오타이트와 헤마타이트를 함유한 상업용 철광석을 보여주는 XRD 스펙트럼 그래프이다 (도 21A). 450°C에서 열처리 후, 지오타이트는 표면적이 더 높은 헤마타이트로 완전히 전환된다 (도 21B). 450 ℃에서 4% 수소 분위기에서 열처리한 후에는, 거의 완전히 마그네타이트로 환원된다 (도 21C).
도 22는 본 명세서에 기술된 공정 중 하나 이상의 공정에 의해 생산된 철로부터 친환경(green) 강철 및 친환경 강철 제품을 제조하는 공정을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 23는 산화 환원 매개체 쌍을 사용하여 Fe3+ (ferric) 철의 금속 철로의 환원으로부터 산소 발생을 분리하는 것을 예시하는 개략도이다.
도 1B는 철 공급 원료를 황산에 용해시키고, 대략적인 pH 범위를 갖는 예시적인 산 화학을 사용하여 전기 도금과 산소 생성을 결합하여 철을 만드는 가능한 접근법의 개략도이다.
도 2는 공급 원료 용해 및 산 재생 서브 시스템을 설명하는 개략도이다.
도 3은 철 도금 서브 시스템을 설명하는 개략도이다.
도 4는 다양한 서브 시스템을 갖는 2단계 철 변환 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 5A 및 도 5B는 용해 서브 시스템으로부터 도금 서브 시스템의 산화전극 및 환원전극 탱크로 철 풍부 산성 용액을 할당하기 위한 대체 공정을 설명하는 개략적인 공정 흐름도이다.
도 6은 산소 발생(evolution)을 포함하는 산 재생 서브시스템을 포함하는 다양한 서브시스템을 갖는 2단계 철 전환 시스템을 예시하고, 서브시스템들 사이의 가능한 유체 흐름을 더 보여주는 모식도이다.
도 7A은 산 재생과 철 환원을 결합하는 용해 동안 산 재생 셀에서 Fe3+ (ferric)이 Fe2+ (ferrous)로 전환되고, 산이 생성되는 것을 보여주는 실험 데이터를 나타내는 그래프이다: 도금 공정의 종료를 나타내는 1.8 M 황산철의 스타팅(starting) 용액을 사용하여, [Fe2+] 농도의 증가에 의해 입증되는 바와 같이 전기 화학 셀 (1)에서 전기 화학적 환원에 의해 Fe2+ (ferrous)가 생성되었다. 생성된 산은 총 최종 철 농도가 2.5 M 이었기에 산화철의 추가 용해를 가능하게 하였다.
도 7B는 다양한 농도의 황산에서 헤마타이트 및 마그네타이트 광석의 용해 속도를 나타내는 실험 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 7C는 황산에서 광석의 용해 속도를 나타내는 실험 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 8A는 다양한 용액 pH 값에서 다양한 금속 수산화물의 용해도를 나타내는 용해도 다이어그램이다.
도 8B 및 도 8C는 다양한 인산철 및 산화철의 용해도를 나타내는 용해도 다이어그램이다.
도 8D는 인산철 및 수산화철의 용해도를 나타내는 용해도 다이어그램이다.
도 8E는 인산 알루미늄과 수산화 알루미늄의 용해도를 나타내는 용해도 다이어그램이다.
도 9는 헤마타이트와 같은 산화철을 마그네타이트로 변환하는 공정에서 철 전기 도금 중에 생성된 H2의 사용과, 이후 산 재생 셀과 결합된 마그네타이트의 용해를 포함하는, 특정 예시적인 실시예를 나타내는 공정 흐름도(process flow diagram)이다.
도 10은 산 재생 시스템에 결합된 다양하게 처리된 광석을 용해시키는 예시적인 시스템 및 공정을 설명하는 개략적인 시스템 다이어그램이다.
도 11은 선택적인 중간 처리 단계를 포함하는, 고체 철 공급 원료를 순수한 도금된 철로 전환하는 공정을 개략적으로 설명하는 공정 흐름도이다.
도 12는 5% H2-95% Ar 가스를 사용하여 헤마타이트를 마그네타이트로 환원하기 위한 알파 (α) 대 시간 (time) 플롯(plot)이다.
도 13a는 특정 실시예에 따른 예시적인 플로우 셀의 다이어그램이다.
도 13B는 염화물 및 황산염 화학을 사용한 전기 제련에 대한, 효율 대 pH의 플롯이다. Fe 도금 효율은 황산염 화학에서 pH ≥ 2에 대해 80% 초과이다.
도 14는 예시적인 산 재생 셀의 다이어그램이다. 예를 들어, 이 셀은 97% 초과의 페러데이 효율에서 400mA/cm2에서 작동할 수 있다.
도 15는 염산 화학에서, 수소 발생이 염산의 농도를 통해 제어되는 pH와 함께, pH 2 미만에서 현저하게 높은 속도로 발생하는 것을 보여주는 CV 주사(스윕, sweep) 차트이다.
도 16A-16B는 인셋(inset)에 요약된 파라미터가 도시된, 1M NH4Cl (도 16A) 또는 1M (NH4)SO4 (도 16B) 존재 하 20C (도 16A) 및 60C (도 16B)에서의 전류 밀도 대 전압 플롯이다. 염화물은 실온(room temperature)에서 황산염보다 낮은 수소 발생을 가지고, 60°C에서 비슷한 속도를 가진다.
도 17A-17B는 인셋(inset)에 특정 파라미터가 요약된, Fe(II)/Fe(s) (도 17A) 및 Fe(III)/Fe(II) 화학에 대한 전류 밀도 대 전압 플롯이다. 염화물 농도 증가는 Fe(II)/Fe(s) 및 Fe(III)/Fe(II) 쌍 모두에 대한 가역성을 향상시킨다.
도 18은 본 명세서에 설명된 철 전환 공정을 수행하도록 구성된 화학 플랜트를 나타내는 개략도이다.
도 19는 산 재생 셀 전류 전압 곡선의 예시이다.
도 20은 도금 셀 전류-전압 곡선의 예시이다.
도 21A - 21C는 상당한 양의 지오타이트와 헤마타이트를 함유한 상업용 철광석을 보여주는 XRD 스펙트럼 그래프이다 (도 21A). 450°C에서 열처리 후, 지오타이트는 표면적이 더 높은 헤마타이트로 완전히 전환된다 (도 21B). 450 ℃에서 4% 수소 분위기에서 열처리한 후에는, 거의 완전히 마그네타이트로 환원된다 (도 21C).
도 22는 본 명세서에 기술된 공정 중 하나 이상의 공정에 의해 생산된 철로부터 친환경(green) 강철 및 친환경 강철 제품을 제조하는 공정을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 23는 산화 환원 매개체 쌍을 사용하여 Fe3+ (ferric) 철의 금속 철로의 환원으로부터 산소 발생을 분리하는 것을 예시하는 개략도이다.
화학적 화합물 및 명명법에 관한 진술
일반적으로, 본 명세서에 사용된 용어 및 문구는 당업자에게 알려진 표준 텍스트, 저널 참조문헌 및 문맥을 참조하여 찾을 수 있는 당업적으로 인식되는 의미를 가진다. 하기 정의는 본 개시의 맥락에서 그 특정 용도를 명확히 하기 위해 제공된다.
다양한 실시예에서, 본 개시는 상대적으로 저순도 철 공급 원료 물질을 포함하는 다양한 철 공급 물질로부터 순수한 철을 생산하기 위한 효율적인 저온 수성 제련 공정을 가능하게 하는 공정, 시스템 및 방법을 제공한다. 일반적으로, 철 공급 원료 물질은 산성 수용액에 용해되고, 금속 철은 전해 도금되어 고체로서 제거된다. 다양한 실시예에서, 철 공급 원료 물질 또는 수성 철은 하나 이상의 공정 단계 동안 한 형태에서 다른 형태로 전환될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "순수 철" 및 "고순도 철"이라는 용어는 철 공급원 물질보다 더 순도가 높고, 하나 이상의 불순물을 허용 가능한 낮은 양으로 함유하는 금속 철 물질을 지칭하기 위해 상대적인 의미로 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "철 공급원/소스(source) 물질" 및 "철 공급원/소스(source)"이라는 용어는 본 명세서에 기술된 다양한 시스템 및 방법에 대한 투입물로 사용될 수 있는 철 함유 물질을 지칭하기 위해 동의어로 사용된다. "철 공급원 물질" 및 "철 공급원"에는 자연 발생 상태 또는 선광 또는 정제 상태의 철 산화물, 수산화물, 수산화물, 탄산염 또는 기타 철 함유 화합물, 광석, 암석 또는 광물(이들의 혼합물을 포함)과 같은 모든 형태의 철이 포함될 수 있다. "철 함유 광석" 또는 단순히 "철광석"이라는 용어는 자연 발생 상태 또는 선광 또는 기타 정제 또는 변형된 상태의 철광석, 암석, 천연 암석, 퇴적물, 천연 퇴적물, 광물 및/또는 천연 광물로서 당업자에게 인식, 공지 또는 참조되는 물질을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 공정 및 시스템의 일부 실시예는 헤마타이트, 고에타이트, 마그네타이트, 리모나이트, 사이데라이트, 앙카라이트, 투르가이트, 보크사이트 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 철광석에 특히 유용할 수 있다.
선택적으로, 철 원료 물질 또는 철 공급 원료는 철 분진 (예를 들어, 용광로, 산소로, 전기 아크로 등에서 제철 또는 제강 공정의 부산물로서 생성되는 미세 입자), 철 분말, 고철 및/또는 스크랩 주철과 같은 철 금속 물질을 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않는다. "철 공급원 물질" 및 "철 공급원"은 또한 일반적으로 "불순물"로 지칭되는 다양한 다른 비(非)철 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "불순물"이라는 용어는 원하는 최종 제품 물질(예컨대, 철) 이외의 원소 또는 화합물을 지칭한다. 다양한 실시예에서, 제품 재료의 의도된 최종 용도에 따라, 특정 원소 또는 화합물은 "불순물"로 간주될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 일부 경우, 하나의 공정 또는 하위 공정에 대한 불순물일 수 있는 하나 이상의 원소 또는 화합물은 분리되거나 정제되고, 수집되고, 2차 제품 재료로서 판매될 수 있다.
본 명세서의 다양한 실시예들에서, 다양한 조성물, 화합물 또는 용액은 본 명세서에 기술된 목적에 충분한 정도로 실질적으로 "분리" 또는 "정제"될 수 있다. 다양한 실시예에서, 실질적으로 정제된 조성물, 화합물 또는 제제 (예를 들어, Fe2+ (ferrous) 철 용액, Fe3+ (ferric) 철 용액 또는 도금된 금속 철)는 화학적 순도가 (예를 들어, 이온 농도의 몰 또는 중량에 의해) 90%, 선택적으로 일부 용도에 대해 95%, 선택적으로 일부 용도에 대해 99%, 선택적으로 일부 용도에 대해 99.9%, 선택적으로 일부 용도에 대해 99.99% 및 선택적으로 일부 용도에 대해 99.999% 순도를 가질 수 있다.
본 명세서에서 "탱크"에 대한 참조는, 필요한 경우, 고산성 또는 가성 수용액과 같은 액체를 담기에 적합한 임의의 용기를 포함하도록 의도된다. 일부 실시예에서, 그러한 용기는 용기의 고체 및/또는 액체 내용물의 혼합을 지원하거나 개선하기 위한 추가 특징 또는 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 용해 탱크는 용액 또는 고체/액체 혼합물을 교반하기 위한 수동 또는 능동 작동, 구조 또는 특징을 포함할 수 있다. 본 발명의 시스템 및 방법에서 유용한 용해 탱크 또는 다른 탱크는 또한 탱크 내의 고체 및/또는 액체 물질과의 가스 접촉을 증가시키기 위해 탱크의 고체 및/또는 액체 내용물 내 또는 이를 통해 가스를 스파징(sparging)할 수 있는 특징을 포함할 수 있다. 다양한 탱크는 또한 액체로부터 고체를 수집하고 분리하기 위한 바스켓, 체, 팬, 필터 또는 기타 구조물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 탱크는 탱크 내의 혼합물을 교반하는 방식으로 탱크를 통해 액체 또는 기체 흐름을 유도하도록 구성될 수 있다 (예: 흐름 유도 구조, 펌프, 임펠러, 배플, 임펠러, 교반 바, 교반 블레이드, 진동기, 사이클론 흐름 채널 등).
본 명세서에 기술된 일부 실시예에서, 철광석을 철 금속으로 변환하는 시스템 (즉, "철 변환 시스템")은 둘 이상의 서브시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예는 철 함유 공급 원료의 성분이 수용액에 용해되는 "용해 서브시스템"을 포함한다. 일부 실시예는 용해된 철이 "전기 도금" (또는 간단히 "도금") 공정에서 전기 화학적으로 철 금속으로 환원되는 "철 도금 서브 시스템"을 더 포함한다. 철 금속은 이어서 철 도금 서브시스템으로부터 제거될 수 있다.
일부 실시예에서, 철 함유 수성 용액은 용해 서브시스템을 떠난 후 그리고 도금 서브시스템으로 전달되기 전에 "전이 서브시스템"으로 이동되고 "전이 서브시스템"에서 처리될 수 있다. 전이 서브시스템 내의 처리는 pH 조정, 불순물 제거, 여과, 또는 다른 공정을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 서브시스템 중 임의의 서브시스템은 유체 운반 도관 (파이프, 채널, 트로프(trough) 등) 및 밸브, 펌프, 팽창 챔버, 기체-액체 분리기, 고체-액체 분리기, 필터 또는 기타 유사한 장치를 포함하는 임의의 수의 유량 제어 장치의 임의의 조합을 포함할 수 있는 "서브시스템 간 유체 연결"에 의해 서로 유체적으로 결합될 수 있다.
"철 전기 도금" (또는 본 명세서에서 동의어로 사용되는 "철 도금")이라는 용어는 용해된 철이 환원전극 표면에서 금속 철로 전기 화학적으로 환원되는 공정을 지칭한다. 동등한 용어인 "전착", "전기 성형" 및 "전기 제련(electrowinning)"도 본 문서에서 "철 전기 도금"과 동의어로 사용된다. 전기 도금된 철의 모양 또는 폼-팩터는 해당 용어의 정의에 따라 "플레이트"일 필요는 없다. 예를 들어, 전기 도금된 철은 임의의 형상 또는 형태를 취할 수 있으며, 본 명세서의 다양한 실시예에 설명된 바와 같이 임의의 적합한 환원전극 표면에 증착될 수 있다.
"용해 단계"라는 용어는 용해 서브시스템에서 발생하는 공정을 포함하며, 여기에는 산화철 물질의 용해 및 "산 재생 셀" 내에서 또는 이를 통해 발생하는 전기 화학적 공정이 포함되나 이에 국한되지 않고, 산 재생 셀에서 Fe3+ 이온을 Fe2+ 이온으로 전기 화학적으로 환원시키는 청구된 단계를 포함하되 이에 국한되지 않는다. 용해 단계 공정은 또한 예를 들어, 양성자를 생성하기 위해 제 1 전기 화학 셀에서 물 또는 수소 가스를 산화시키는 것을 포함할 수 있으며, 이는 철 함유 공급 원료의 용해를 용이하게 하는 데 사용되는 산의 (양성자의 형태로) 재생을 가능하게 할 수 있다.
"철 도금 단계"라는 용어는 철 도금 서브시스템에서 발생하는 공정을 포함하며, 청구된 "도금 셀" 내에서 또는 청구된 "도금 셀"을 통해 발생하는 전기화학적 공정을 포함하되 이에 한정되지 않고, 본원에서 "도금 셀"로도 지칭되는 "도금 셀"에서 Fe2+ 이온을 Fe 금속으로 "전기화학적으로 환원"시키는 단계를 포함하되 이에 한정되지 않는다. 철 도금 공정은 또한 Fe2+ 이온의 두 번째 부분을 산화시켜 Fe3+ 이온을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 Fe2+ 이온은 제 1 전기 화학 셀 또는 시스템의 다른 부분으로부터 제공될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이 달리 명시되지 않는 한, "Fe2+ (ferrous) 철 용액" 또는 " Fe2+ (ferrous) 용액"이라는 용어는 용해된 철의 균형이 " Fe3+ (ferric)" Fe3+ 상태에 있는, 적어도 주로 (즉, 50% 내지 100% 사이) Fe2+ (즉, Fe2+ (ferrous)) 이온 상태에 있는 용해된 철을 함유하는 수용액을 지칭할 수 있다. 마찬가지로 " Fe2+ (ferrous) 이온"이라는 용어는 Fe2+ (ferrous) 상태의 하나 이상의 이온을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, " Fe3+ (ferric) 용액" 또는 " Fe3+ (ferric) 용액"이라는 용어는 용해된 철의 균형이 Fe2+ (ferrous) 상태에 있는, 적어도 주로 (즉, 50% 내지 100% 사이) " Fe3+ (ferric) 이온 상태에 있는 용해된 철을 함유하는 수용액을 지칭할 수 있다. 마찬가지로 "" Fe3+ (ferric) 이온"이라는 용어는 " Fe3+ (ferric) 상태의 하나 이상의 이온을 지칭한다. " Fe3+ (ferric) 용액" 또는 " Fe2+ (ferrous) 용액"은 또한 불순물을 포함한 다른 용존 이온 또는 콜로이드 또는 입자성 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "PEM" 또는 "양성자 교환막"에 대한 언급은 "CEM" 또는 "양이온 교환막"도 포함하는 것으로 해석될 수 있으며, 두 용어 모두 양전하를 띤 양이온 및/또는 양성자의 통과를 선택적으로 허용하는 임의의 가용 막 물질을 포함할 수 있다. 약어 "AEM"은 음전하를 띤 수성 이온에 선택적인 음이온 교환막을 지칭하기 위해 사용되며, 임의의 가용한 음이온 선택적 막을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 수성 양성자 및 전기 화학적으로 생성된 양성자는 수성 양성자 및 수성 하이드로늄(hydronium) 이온을 포함하도록 의도된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "미가공 광석"이라는 용어는 본 명세서에 개시된 실시예에 따라 열적으로 환원되거나 에어 로스팅되지 않은 철 함유 광석을 지칭한다. 미가공 광석은 선택적으로 원(原) 철-함유 광석이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 전기화학적으로 생성된 양성자 및 전기화학적으로 생성된 철 이온 (예컨대, Fe2+, Fe3+)과 같은 전기 화학적으로 생성된 이온은 전기 화학 반응에서 생성되거나 제조되는 이온을 지칭한다. 예를 들어, 산화전극에서 물의 전기 화학적 산화는 전기 화학적으로 생성된 양성자 및 전기 화학적으로 생성된 산소를 생성할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "열적 환원"이라는 용어는 환원제의 존재 하에서 고온에서의 열 처리를 지칭한다. 열적 환원은 또한 당 업계에서 환원 로스팅으로 지칭된다. 선택적으로, 열적 환원은 200°C 및 600°C 범위에서 선택된 온도에서 수행된다. 선택적으로, 환원제는 수소(H2) 가스를 포함하는 가스이다. 열적 환원에 대한 추가 설명 및 잠재적으로 유용한 실시예는 하기 참조 문헌에서 찾을 수 있으며, 이는 본원에서 전체적으로 통합되어 있다: Hydrogen reduction of hematite ore fines to magnetite ore fines at low temperatures", Hindawi, Journal of Chemistry, Volume 2017, Article ID 1919720.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "기생(parasitic) 수소" 또는 "철 전기 도금 공정의 기생 수소 발생(evolution) 반응"에서의 수소(H2)라는 용어는 동일한 전기 화학 셀에서 철 전기 도금 반응 (예를 들어, Fe2+에서 Fe로, 또는 Fe3+에서 Fe2+로)과 동시에 부반응에 의해 전기 화학적으로 생성된 수소(H2) 가스를 지칭한다. 기생 수소 발생과 관련된 추가 설명 및 잠재적으로 유용한 실시예는 하기 참조 문헌에서 찾을 수 있으며, 이는 본원에서 전체적으로 통합되어 있다: "An investigation into factors affecting the iron plating reaction for an all-iron flow battery", Journal of the Electrochemical Society 162 (2015) A108.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "에어 로스팅"이라는 용어는 공기 존재 하 고온에서 수행되는 열처리를 지칭한다. 철 함유 광석과 같은 광석의 에어 로스팅은 광석의 평균 입자 크기를 분해하거나 감소시킬 수 있다. 선택적으로, 에어 로스팅은 300°C 및 500°C 범위에서 선택된 온도에서 수행된다. 에어 로스팅에 대한 추가 설명 및 잠재적으로 유용한 실시예는 하기 참조 문헌에서 찾을 수 있으며, 이는 본원에서 전체적으로 통합되어 있다: "Study of the calcination process of two limonitic iron ores between 250°C and 950°C", Revista de la Facultad de Ingeneria, p. 33 (2017).
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "산화 환원 쌍(redox couple)"이라는 용어는 전기 화학 반응 또는 반-세포 반응의 환원 종 및 산화 종에 대응하는 이온 및/또는 분자와 같은 두 가지 화학 종을 지칭한다. 예를 들어, Fe3+ 이온을 Fe2+ 이온으로 전기화학적으로 환원하는 경우, 해당 산화 환원 쌍은 Fe3+/Fe2+이며, 여기서 Fe3+는 산화 종이고 Fe2+는 환원 종이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 산화 환원 쌍이 기술되는 순서 (예를 들어, Fe3+/Fe2+ 대 Fe2+/Fe3+)는 어떤 종이 환원 종이고 어떤 종이 산화 종인지를 나타내기 위한 것이 아니다. 산화 환원 쌍에 대한 추가 설명 및 잠재적으로 유용한 실시예는 하기 참조 문헌에서 찾을 수 있으며, 이는 본원에서 전체적으로 통합되어 있다: "Redox - Principles and Advanced Applications": Book by Mohammed Khalid, Chapter 5: Redox Flow Battery Fundamental and Applications.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "정상 상태" 및 "정상-상태"라는 용어는 일반적으로 공정, 방법 단계, 반응 또는 반응들, 용액, (서브)시스템 등을 특징짓는 조건 또는 조건들의 집합을 의미하며, 이는 공정, 방법 단계, 반응 또는 반응들, 용액, (서브) 시스템 등의 작동 또는 수행 중에 참(true)이 아닌 것보다 더 오래 참인 것을 나타낸다. 예를 들어, 광석 또는 공급 원료의 용해는 정상 상태 조건을 특징으로 할 수 있으며, 여기서 정상 상태 조건은 용해가 발생하는 시간 중 적어도 50%, 선택적으로 적어도 60%, 선택적으로 적어도 70%, 선택적으로 적어도 80%, 선택적으로 적어도 90%, 선택적으로 적어도 95% 동안 참이다. 예를 들어, 정상 상태 조건은 공급 원료의 용해와 같은 공정의 일시적인 시작(start-up) 및 종료(shut-down) 단계를 특징짓는 조건을 배제할 수 있다.
"환원전극 챔버"라는 용어는 환원전극 또는 그 적어도 그 일부 또는 표면과 환원전극액을 포함하는 영역, 구획, 용기 등을 지칭한다. "산화전극 챔버"라는 용어는 산화전극, 또는 그 적어도 그 일부 또는 표면과 산화전극액을 포함하는 영역, 구획, 용기 등을 지칭한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "철 풍부 용액"이라는 용어는 "철 풍부 용액" 또는 "Fe2+ (ferrous) 제품 용액"으로도 지칭될 수 있으며, 이는 광석 용해 서브시스템에서 형성되는 철 이온 풍부 용액에 대응한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "광석 용해 서브시스템"이라는 용어는 "용해 서브시스템", "제1 서브시스템" 및 "제1 단계 (step 1)"로도 지칭될 수 있다. "용해 서브시스템"은 본 명세서에 설명된 "산 재생기"를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "철 도금 서브시스템"이라는 용어는 "제2 서브시스템" 및 "제2단계 (step 2)"로 지칭될 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "침전 pH"라는 용어는 언급된 하나 이상의 이온 또는 염이 열역학적으로 호스트 수용액으로부터 침전되는 것이 우세(favor)하거나 침전될 것으로 예상되는 pH를 지칭한다. 일반적으로 수용액에 용해된 이온 및 염의 용해도는 수용액의 pH에 따라 달라질 수 있다. 산성 영역에서 pH가 증가하면, 많은 금속 이온이 용해도가 감소하여 호스트 용액 밖으로 침전되는 경향이 있는 금속 수산화물을 형성한다. 본 명세서에서 침전 pH는 주어진 이온 또는 염의 용해도가 농도 임계값 미만인 지점에 해당하는 pH로 정의된다. 침전 pH는 주어진 이온 또는 염의 용해도가 1mM 미만, 선택적으로 0.1mM 미만을 넘어선(beyond) 상한 경계일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "금속 철"이라는 용어는 스크랩 철(고철, scrap iron), 전기 도금 철, 철 분말 등과 같은 금속 철을 포함하는 물질을 지칭하지만, 이에 국한되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "지지 염" 및 "지지 이온"이라는 용어는 염 및 이온을 지칭하며, 각각 지지 전해질에 대응하거나 이로서 작용하거나, 또는 호스트 용액의 전도도를 증가시키기 위해 용해될 때 적어도 부분적으로 지지 전해질을 형성한다. 예를 들어 일부 실시예에서, 용해 서브시스템 및 도금 서브시스템의 전해질 및 용액은 용해된 철 종(species), 산 및 추가로 전해질 전도도를 향상시키기 위한 지지 전해질로서 작용하는 불활성 염을 포함할 수 있으며, 이는 낮은 Fe2+ (ferrous) 농도에서 특히 유리할 수 있으며, 전도도를 향상시키기 위해 지지 전해질로서 작용하는 불활성 염은 지지 염이라고 지칭될 수 있다. 지지 염은 염화나트륨, 염화칼륨, 염화암모늄, 황산나트륨, 황산칼륨, 황산암모늄, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화암모늄 또는 기타 염 또는 염의 조합과 같은 전기화학적으로 불활성인 염을 포함할 수 있다. 용액 내 지지 염의 농도는 예를 들어 약 0.1 내지 약 1M 범위에서 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "중량 %" 또는 "wt %"라는 용어는 중량 퍼센트, 또는 질량에 대한 백분율로 표시되는 질량 분획을 지칭한다. "원자 %" 또는 "at%"라는 용어는 원자 퍼센트, 또는 분자, 화합물, 물질, 나노 입자, 중합체, 분산액 등과 같은 주어진 물질의 총 원자에 대한 원자 유형의 백분율로 표시되는 원자 비율을 지칭한다. "몰 % (mol %)"라는 용어는 몰 퍼센트 또는 몰별 퍼센트를 나타낸다. "부피 % (vol %)"라는 용어는 부피 퍼센트를 의미한다.
본 명세서 및 청구범위에서 "및/또는" 이라는 용어는 "및/또는" 용어가 나타나는 목록에서 단일 요소 단독 또는 요소의 임의의 조합을 지칭하기 위해 본원에서 사용된다. 즉, "및/또는" 용어를 갖는 둘 이상의 요소의 목록은 어떠한 개별 요소 단독을 포함하는 실시예 또는 나열된 요소의 임의의 조합을 갖는 실시예를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, "요소 A 및/또는 요소 B"라는 문구는 요소 A를 단독으로 포함하거나, 요소 B를 단독으로 포함하거나, 또는 요소 A와 B를 모두 포함하는 실시예를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, "요소 A, 요소 B 및/또는 요소 C"라는 문구는 요소 A만을 갖는 실시예, 요소 B만을 갖는 실시예, 요소 C만을 갖는 실시예, 요소 A와 B를 함께 갖는 실시예, 요소 A와 C를 함께 갖는 실시예, 요소 B와 C를 함께 갖는 실시예 또는 요소 A, B 및 C를 함께 갖는 실시예를 포함하도록 의도된 것이다.
본 명세서에서 사용되는 "±"라는 용어는 값의 포괄적인 범위를 의미하며, 예를 들어, X와 Y 각각이 독립적으로 숫자인 경우 "X±Y"는, X-Y에서 X+Y의 범위에서 선택된 값의 포괄적인 범위를 의미한다. Y가 백분율인 "X±Y"의 경우 (예: 1.0±20%), 포함되는 값의 범위는 X-Z에서 X+Z의 범위에서 선택되며, 여기서 Z는 X× (Y/100)와 동일하다. 예를 들어 1.0±20%는 0.8~1.2 범위에서 선택된 값의 포괄적인 범위를 나타낸다.
발명의 설명
하기 설명에서는, 장치, 장치 구성요소 및 방법에 대한 수많은 구체적인 세부 사항들이 본원에 기재된 다양한 발명의 정확한 성질에 대한 철저한 설명을 제공하기 위해 개시될 것이다. 그러나, 당업자에게는 이러한 특정 세부 사항 없이도 다양한 발명이 실시될 수 있음이 명백할 것이다. 특정 이론에 구속되기를 원하지 않고, 본 명세서에 개시된 장치 및 방법과 관련된 기본 원리에 대한 신념 또는 이해에 대한 논의가 본 명세서에서 있을 수 있다. 기계론적 설명 또는 가설의 궁극적인 정확성에 관계없이 장치 및 방법의 실시예는 그럼에도 불구하고 작동 가능하고 유용할 수 있음이 인정된다.
1조 달러 규모의 상품인 철강은 연간 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 10%인 3기가톤을 차지하는 산업계의 기본 구성 블록이다. 기존의 제철 공정에서는 (즉, 산화철을 철 금속으로 환원하기 위해) 철광석의 환원제로 코크스 (정제 석탄)가 사용되었고 철을 가열하고 녹이기 위한 연료로 석탄이 사용되기 때문에 이산화탄소 배출량이 많았다. 석탄 기반 철 및 강철 생산은 수세기 동안 가장 일반적이고 저렴한 공정이었다. 불행히도, 대기 중 이산화탄소 증가가 점점 더 치명적인 기후 변화를 야기할 위협이 커지며, 진정한 사회적 비용은 단지 현재로 연기되었을 뿐이다.
재생 및 탄소 제로 에너지 비용이 하락하면서 화석 연료에서 제강용 청정 전기로 전환하는 것이 점점 더 매력적인 대안으로 떠오르고 있다. 그러나, 재생 에너지 발전원의 간헐적 특성 및 철광석을 용해, 환원하고 불순물을 제거하는 복잡한 과정으로 인해, 전기 구동 철 생산이 매우 까다롭다.
재생 에너지 간헐성과의 호환성의 필요성은 특히 고온 공정과 상충되며 고온을 유지하기 위해 대규모의 예비 에너지 저장을 사용할 수 없는 한, 고온 공정은 가동을 낮추거나 중단하기 어렵다. 따라서, 철광석으로부터 충분히 순수한 철을 생산하기 위한 저온 전기 기반 공정이 필요하며, 이는 재생 에너지 간헐성과도 양호한 호환성을 나타낸다.
습식 야금 및 철 가공 분야의 전문가들 사이의 통념에 따르면, 철의 습식 야금 가공은 철 공급 원료, 특히 산화철 광석의 용해 속도에 대한 열역학적 및 경제적 한계로 인해 경제적으로 비실용적이라 알려져 있다. 이러한 전문가들은 산성 용액과 접촉하는 Fe2+, Fe3+ 및 Fe0 상태 사이의 전기 화학적 "셔틀"의 가능성으로 인해, 전기 도금을 통해 철을 효율적으로 추출하는 능력에 대해 더욱 회의적이다. 본원의 시스템 및 방법은 이러한 인식된 장애물을 극복하기 위한 다양한 메커니즘을 제공한다.
다양한 실시예에서, 본 개시는 다른 이용 가능한 제철 및 제강 공정과 양립할 수 없을 수 있는 상대적으로 낮은 순도의 철 공급 원료 물질을 포함하는 다양한 철 공급 물질로부터, 비교적 순수한 금속 철을 생산하기 위한 효율적인 저온 수성 야금 공정을 가능하게 하는 공정, 시스템, 및 방법을 제공한다. 본원에 설명된 것과 같은 용액 기반 철 추출 공정은 일반적으로 청정 전기 에너지원을 사용함으로써 온실가스를 전혀 배출하지 않으면서 다양한 순도의 철 원료 물질에서 불순물을 매우 비용 효율적으로 분리 및 제거할 수 있다. 경우에 따라, 한 공정 단계에서 발생하는 폐기물을 다른 공정 단계를 개선하는 데 유리하게 사용할 수 있다. 이러한 및 기타 장점에 대한 다양한 예는 본원 발명의 설명에서 명확하게 확인할 수 있다.
본원에 기술된 다양한 실시예에서, 금속 철은 (대부분의 철 함유 광석과 같이 다량의 산화철을 갖는 철 공급원료를 포함한) 철 공급원료로부터 산성 용액에 용해시키고, 선택적으로 용액을 처리하여 일부 불순물을 제거한 다음, 용액으로부터 금속 철을 고체 형태로 전해 증착하여 강철 또는 다른 철 함유 제품을 만들기 위한 후속 공정에서 제거 및 사용될 수 있는 금속 철을 추출할 수 있다.
대부분의 산화철 광석은 철(III) 상태의 철을 함유한다. 예를 들어, 매우 흔한 광물인 헤마타이트(Fe2O3)은 전적으로 철(III) 상태이고, 마그네타이트(Fe3O4)은 철(II) 외에 철(III)을 함유하고 있다. 용해되면 헤마타이트는 Fe3+ 이온으로 해리되고 마그네타이트는 Fe3+ 및 Fe2+ 이온으로 해리된다. 철을 전해 증착하기 위해서는 먼저 Fe3+를 Fe2+로 환원시켜야 한다. 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법의 일부 실시예에서, Fe3+를 Fe2+로 환원하고 전기 도금하는 것은 단일 전해 셀에서 수행될 수 있으며, 일반적으로 수소 가스를 형성하기 위한 양성자의 부수적인 전기 화학적 환원으로 인해 상당한 기생 수소 발생을 희생할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 수소 발생은 셀로부터 전하 및 반응물을 소비하고 특정 조건 하에서 열역학적으로 더 바람직한 반응(예: Fe2+에서 Fe로의 환원)보다 선호될 수 있기 때문에 "기생"이라 지칭된다. 본 명세서의 다른 실시예에서, Fe3+를 Fe2+로 환원하는 단계와 전해 증착 단계는 두 개의 개별 전해 셀로 분리된다. 이는 공정의 분리화(de-coupling)를 가능하게 하고, 시스템에서 불순물 제거 및 기타 유익한 공정을 더욱 용이하게 한다.
본원에 개시된 시스템 및 방법의 선택적 특징, 이점, 및/또는 실시예는 다음 중 어느 하나를 포함할 수 있다: (i) 염산, 황산, 인산, 질산, 아세트산, 옥살산, 구연산, 붕산, 과 붕산, 탄산, 메탄 설폰산, 또는 이들 또는 다른 산의 임의의 혼합물 또는 조합을 포함하되 이에 국한되지 않는 임의의 산이 철 공급 원료 물질의 용해에 사용될 수 있다; (ii) 철 공급 원료는 고철, 고철 주철, 철 분진, 철 분말을 포함하여 여기에 설명된 것과 같은 시스템에서 산에 용해될 수 있는 모든 철 함유 물질을 포함할 수 있다, 철광석 또는 기타 철 함유 광물 (iii) 철광석에는 헤마타이트(Fe2O3), 헤마타이트, 마그네타이트, 마그네타이트(Fe3O4) 또는 지오타이트(FeOOH), 아카가나이트, 레피도크로사이트, 페리하이드라이트, 리모나이트 또는 이들의 조합과 같은 수산화물이 포함될 수 있지만 이에 국한되지 않는 모든 철 산화물이 포함될 수 있다; (iv) 본 명세서에 기술된 다양한 전기화학 셀 및 시스템은 0 미만에서 7까지의 산성 범위의 광범위한 pH에서 작동될 수 있고; 및/또는 (v) 수소 산화 또는 다른 반응이 전기화학 셀의 산화전극에서 물 산화를 대체하는 데 사용될 수 있다.
대량 제강을 위한 순수 철을 제조하기 위해서는, 철 함유 공급 원료가 상대적으로 저렴한 철 원재료인 것이 바람직하다. 철광석은 규산염, 카올리나이트(규산염 점토 광물), 인, 알루미늄, 황, 마그네슘, 칼슘 및 기타 원소 또는 광물의 화합물을 포함하는 일반적인 불순물과 함께 광범위한 순도로 존재한다. 기존 제철 공정에는 상대적으로 고순도 철광석이 필요하기 때문에 불순물이 많은 저순도 철광석과 스크랩 재료를 더 낮은 비용으로 사용할 수 있다. 본 명세서에 기술된 다양한 수성 철 생산 시스템 및 방법은 고순도 철광석, 저순도 철광석, 철 또는 철 스크랩, 철 분진 또는 기타 철 함유 공급 원료 물질을 포함하여, 기존의 대량 제강 공정과 호환되지 않아 폐기물로 간주되는 많은 철 함유 공급 원료 물질을 포함한 모든 순도의 철 공급 원료와 함께 사용할 수 있다. 예를 들어, 채광 및 광석 선광 공정으로부터의 "파인(fine)" 또는 "테일링(tailing)"는 또한 본원 시스템 및 방법의 다양한 실시예에서 철 공급원료 재료로써 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 철광석 (및 다른 철 공급원료)은 공급원료 물질을 산에 용해시킴으로써 수용액으로 전환될 수 있지만, 그 공정이 반드시 저온에서 용이하거나 빠를 필요는 없다. 용해 공정 및/또는 후속 불순물 제거를 개선하기 위해 일부 철 공급 원료 물질을 전처리하는 일부 예시적인 실시예가 본 명세서에 제공되어 있다. 여기에는 다른 공정 단계에서 생성된 폐기물의 재사용이 유리하게 포함될 수 있다.
철은 용해된 철염을 함유하는 용액의 전기 도금을 통해 저온 (대체로 120°C 미만, 일부 특정 실시예에서는 80°C 미만 또는 70°C 미만으로 정의됨)에서 제조될 수 있다. 고온을 지속적으로 유지할 필요가 없기 때문에, 이러한 저온 공정은 재생 에너지원의 간헐성과 훨씬 더 호환된다.
본 명세서의 다양한 실시예에서, 수용액에 용해된 철은 단일 단계 또는 복수의 단계로 전기 화학적으로 금속 철로 전환될 수 있다. 철은 "철" Fe3+ 이온 또는 "철" Fe2+ 이온의 형태로 용액에 존재할 수 있다. 용해된 Fe3+ 이온을 철 금속(Fe0)으로 변환하기 위해서는 먼저 Fe2+ 이온으로 환원해야 한다. 일부 실시예에서, Fe3+의 Fe2+로의 환원 및 Fe2+의 Fe0으로의 환원은 단일 셀에서 수행될 수 있다. (예를 들어, 도 2 - 도 6을 참조하여 본원에 설명된 바와 같이) 다른 실시예들에서, 철 Fe3+에서 철 Fe2+로의 환원은 Fe2+에서 금속 철 Fe0으로의 환원으로부터 분리될 수 있다.
단일 단계 철 전환
일부 실시예들에서, 금속 철은 전기 화학 셀의 환원전극 챔버에서 전기 도금을 통해 (산에 철 공급 원료를 용해시킨) 철 및/또는 철 이온을 철 금속으로 환원시키는 동시에 물을 산화시켜 산화전극 반쪽 셀 챔버에서 산소를 생성함으로써 단일 단계 공정에서 수성 철 용액으로부터 금속 철을 제조할 수 있다.
(예를 들어, 본 명세서의 다른 곳에서 다양한 실시예에 설명된 바와 같이) 철 공급 원료 물질은 공급 원료를 산에 용해시킴으로써 수용액으로 전환될 수 있다. 일단 용액에 들어가면, 철은 전해 전기 화학 전지를 사용하여 직접 철 금속으로 변환될 수 있는데, 이 전해 전기 화학 전지는 방정식에 따라 환원전극에서 철을 금속 철로 환원하고 산화전극에서 물을 산소로 산화시키는 반응을 일으킨다:
산화전극에서의 반쪽 반응: H2O → 2H+ + 1/2O2 + 2e (식 1)
환원전극에서의 반쪽 반응: Fe3+ + 3e → Fe (식 2)
전체 반응: 2Fe3+ + 3H2O → 6H+ + 3/2O2 + 2Fe (식 3)
도 1A는 이 과정에 따른 전환의 개략도를 나타낸다. 그러나 산에서 철광석 산화물의 용해는 일반적으로 빠르지 않으며 대부분의 경우 철 (Fe3+) 염을 생성한다. 용해된 광석 용액에 주로 철염이 존재하면 용액의 철과 도금된 철 금속 간의 상호 작용으로 인해 비효율적인 금속 철 도금이 발생할 수 있다. 더 심각한 문제는 전기화학 전지의 분리막으로 양성자 교환막(PEM)을 사용하는 경우 도금 측인 환원전극 쪽에 산이 생성된다는 것이다. 그 결과, 생성된 산은 도금된 철을 공격하여 전지의 쿨롱 (또는, 페러데이) 효율을 매우 저하시키는 경향이 있다.
또한, 산성 용액의 낮은 pH는 철 도금 중에 기생 수소 발생 반응을 일으킬 수 있다. 이러한 수소 발생은 원스텝 철 전환 공정의 쿨롱(또는, 페러데이) 효율을 더욱 감소시킨다. 그러나 생성된 수소는 본원 다른 곳에 설명된 대로 포집하여 다른 용도로 재사용할 수 있다.
또는, 도 1B에 도시된 바와 같이, 음이온 교환막(AEM)을 사용할 수도 있다. 이 경우, 산화전극 측에서 산이 생성되어 산에 의한 도금 철의 직접적인 공격을 방지하지만, 산이 물 측과 혼합되어 상당한 희석을 일으키고, 산이 철광석 용해에서 추가적인 활용으로 회수되기 쉽지 않다. 이는 회수불가능한 산 및 대량의 산 폐기물의 발생을 의미한다.
다른 실시예에서, 전해 셀의 산화전극에서 물을 산화시키는 대신에, 수소 가스의 스트림이 산화전극 챔버로 향하여 산화전극에서 산화될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 "수소 탈분극" 산화전극은 산소 발생 산화전극의 일부 실시예에서 필요할 수 있는 것보다 저비용 재료로 제조될 수 있다. 다양한 실시예에서, 그러한 실시예를 위한 수소는 수소 저장 시스템 또는 물 전기분해기 (예를 들어, PEM 물 전기분해기, AEM 물 전기분해기, 또는 알칼리 물 전기분해기)와 같은 수소 생산 시스템으로부터 제공될 수 있다.
대안적인 2단계 철 전환 공정은 상기 단점들을 극복하는 동시에 새로운 시너지 이점을 도입한다.
2단계 철 전환
도 2, 도 3, 도 4 및 도 6을 참조하여, 일부 실시예에서, 철 전환 시스템(100)은 용해 서브시스템(102) 및 도금 서브시스템(130)의 두 가지 주요 서브시스템으로 분리될 수 있다. 용해 서브시스템(102)은 일반적으로 철 공급 원료 물질(152)을 저온에서 효율적이고 상대적으로 빠르게 용해하여 용해-철 용액(122)을 형성하도록 구성될 수 있다. 용해 서브시스템(102)은 용해 철 용액(122)이 도금 서브시스템(130) 내의 도금 셀(132)로 이송되기 전에 "산 재생" 셀(104)에서 용해 철 용액(122)의 철(Fe3+) 이온을 철(Fe2+) 이온으로 변환하도록 더 구성될 수 있다. 도금 서브시스템(130)은 일반적으로 용해된 철을 고체 형태로 전해 도금하도록 구성될 수 있으며, 이는 148에서 제거되어 상대적으로 순수한 철로 판매될 수 있고 추가 도금을 위해 도금 서브시스템(130)을 준비할 수 있다. 용해된 철 용액(122)이 도금 셀(132)에 의해 철이 충분히 고갈되면, 산 재생 셀(104)과 결합된 후속 용해에 사용하기 위해 용해 서브시스템(102)으로 반환될 수 있다.
이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 용해된 철 용액(122)은 도금 산화전극 및 도금 환원전극으로 분할될 수 있다. 도금 산화전극액은 도금 산화전극액 탱크(144)와 도금 셀(132)의 산화전극 챔버(138) 사이에서 재순환될 수 있고, 그 안에서 도금 산화전극액 내의 종들이 산화전극 전극(140)에서 산화될 수 있다. 도금 전해질은 도금 전해질 탱크(142)와 도금 셀(132)의 환원전극 챔버(134) 사이에서 재순환될 수 있으며, 여기서 철이 환원전극 전극(108) 상에 전기 도금될 것이다. 철은 도금 셀(132)로부터 148에서 다양한 방법에 의해 제거될 수 있으며, 그 예는 아래에 설명된다. 어떤 경우에는, 수소 가스가 도금 셀 환원전극 챔버(134)로부터 발생될 수 있다(146). 이러한 수소 가스는 본원에 설명된 다른 하위 공정에서 사용하기 위해 포집 및 저장될 수 있다.
철을 철 금속으로 환원하는 환원으로부터 철을 철로 환원하는 환원을 분리하면, (예컨대, 도 1A 및 도 1B를 참조하여 설명된 바와 같이) 단일 도금 셀에서 두 환원 단계를 수행하는 것에 비해 전체 시스템(100)에서 상당한 개선 및 비용 절감이 가능하다.
도시된 바와 같이, 산 재생 셀(104)은 산화전극(112)에서 반응물 소스(116)로부터 공급되는 소모성 반응물을 산화시키면서 환원전극 챔버(106) 내에서 (공급 원료(120)의 용해 중에 생성되는) Fe3+ (ferric) 이온을 Fe2+ (ferrous) 이온으로 환원하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 산화전극 반응물은 물일 수 있고 산화전극(112)은 산화전극 챔버(110)로부터 산소(111)를 발생시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 산 재생 셀 산화전극(110)은 반응물 소스(116)로부터 공급되는 수소 가스 반응물을 산화하도록 구성될 수 있다 (반응물 소스는 저장 시스템 또는 물 전기분해기와 같은 수소 생산 시스템일 수 있다).
다양한 실시예에서, 하나 이상의 처리 단계(124, 126, 128, 125, 127)는 용존 철 용액(122)을 조정하여 물질을 제거하거나 용액의 하나 이상의 성분의 농도를 증가 또는 감소시키기 위해 수행될 수 있다. 예를 들어, 처리 단계(124) (도 2, 도 6)는 용해 중에 방출되는 물질의 고체 미립자 및/또는 콜로이드 분산액을 제거하도록 구성된 처리 용기를 통해 용해 탱크(118)를 빠져나가는 용해-철 용액(122)을 지시하는 것(directing)을 포함할 수 있다. 경우에 따라, 철 공급원으로부터의 실리카는 콜로이드 분산액 내의 겔과 같은 덩어리로서 용해된 철 용액(122)으로 들어갈 수 있으며, 이는 산 재생 셀(104) 내의 작동을 방해할 수 있다. 처리 단계(124)는 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 산화물, 또는 용액으로부터 콜로이드 실리카를 제거하는 데 효과적인 것으로 알려진 다른 응집제와 같은 응집제와 용액을 접촉하는 것을 포함할 수 있다. 처리 단계(124)는 산 재생 셀(104) 내의 작동에 해로울 수 있는 물질을 제거하기 위해 필요에 따라 임의의 다른 고액 분리 기술, 장치, 또는 첨가제를 더 포함할 수 있다.
도금 서브시스템(130)은, 환원전극 탱크(142)에 유동적으로 결합된 환원전극 챔버(134) 내의 환원전극 전극(136) 및 환원전극 탱크(144)에 유동적으로 결합된 산화전극 챔버(138) 내의 산화전극 전극(140)을 갖는 도금 셀(132)을 포함할 수 있다. 철 이온은 도금 셀(132)의 환원전극 챔버(134)에서 도금된 금속 철로 환원되고, 철 이온은 도금 셀(132)의 산화전극 챔버(138)에서 철 이온으로 산화될 수 있다.
산 재생에 의해 보조되는 철 공급 원료의 용해:
출원인은 용해 탱크(118)에 결합된 산 재생 셀을 사용함으로써 철광석 (및 다른 철 공급원료 물질)의 용해가 크게 가속화될 수 있다는 것을 발견했다. 도 2에 도시된 바와 같이, 산 재생 셀(104)은 산 재생 셀(104)의 환원전극 챔버(106)와 하나 이상의 용해 탱크(118) 사이에서 산 용해 용액(122)을 재순환하도록 구성될 수 있다. 양성자로 산화 가능한 소모성 반응물(117) (예를 들어, 물, 수소 가스, 또는 양성자를 형성하기 위해 산화 가능한 다른 기체 또는 수성 물질)의 소스(116)는 산 재생 셀(104)의 산화전극 챔버에 유동적으로 결합될 수 있다.
산 재생 셀(104)과 결합된 철 공급원료(120)의 용해는, 산이 전해 산 재생 셀(104)에 의해 전기 화학적으로 재생성되는 수성 산 용액에서 철 공급원료 물질의 용해를 포함한다. 염산(HCl) 용액과 도 2를 참조하여 아래에 예가 제공되지만, 공정은 염산에 한정되지 않으며 황산, 질산, 구연산, 아세트산, 붕산, 메탄설폰산, 옥살산 또는 기타 산을 포함하는 임의의 산을 사용하여 실질적으로 동일한 방식으로 수행될 수 있다. 유사하게, 헤마타이트(Fe2O3)이 철광석 공급 원료의 예로서 제공되지만, 공정은 지오타이트, 마그네타이트(Fe3O4), 사이데라이트(FeCO3) 및 기타 광석 및 임의의 다른 철 공급 원료 물질을 포함하는 다른 모든 철 공급 원료 물질에 적용된다.
일부 실시예에서, 철 공급원료(120)는 용해 탱크(122) 내로 도입되기 전에 원하는 범위 내의 입자를 형성하도록 분쇄 또는 분쇄될 수 있다. 다른 실시예들에서, 공급원료(122)는 용해 탱크(118)로 도입되기 전에 (도 9 및 도 10을 참조하여 본원에 설명된 바와 같이) 에어 로스팅 및/또는 열적 환원에 의해 사전 처리될 수 있다.
헤마타이트가 염산 용액에 용해될 때, 다음과 같은 반응이 일어난다:
Fe2O3 + 6HCl → 2Fe3+ + 6Cl- + 3H2O (식 4)
헤마타이트는 염산 용액에 용해되면 염화철이 된다. 산화철의 용해는 일반적으로 빠른 반응이 아니며, 실험에 따르면 헤마타이트 용해의 생성물 인 염화철 (FeCl3)의 농도가 증가하면 용해 속도가 느려지는 경향이 있다. 반면에 산 농도를 높이면 용해 속도가 빨라지는 경향이 있다. 실험에 따르면 염화철(염화철의 환원 형태)과 같은 철(Fe2+) 염을 첨가하면 용해 속도도 증가하는 경향이 있는 것으로 나타났다. 실제로 이러한 효과를 조합하면 헤마타이트 또는 고에타이트 광석이 약 24시간에서 30시간 미만의 허용 가능한 시간 내에 실질적으로 완전히 용해될 수 있다.
일 실시예에서, 공급 원료 용해 공정은 도 2에 도시된 바와 같이 전기 화학 공정과 결합될 수 있다. 용해 탱크(118)는 부분적으로 고체 철 공급원료(120) (예컨대, 이 실시예에서는 헤마타이트 및/또는 지오타이트) 및 산 용액(122) (이 실시예에서는 염산)으로 채워질 수 있다. 헤마타이트 및/또는 지오타이트 공급 원료는 산에 의해 부분적으로 용해되어 염화철(ferric chloride) 용액(즉, 용액에서 Fe3+ 및 Cl- 이온으로 해리되는 FeCl3)을 형성할 수 있으며, 이 과정에서 산을 소비하면서 물을 생성할 수 있다. 마그네타이트(Fe3O4) 또는 사이데라이트(FeCO3)와 같은 다른 유형의 철광석을 사용하는 경우, 철 이외에 염화 철(ferrous chloride)이 형성될 수 있다.
Ferrous 염화철 및 ferric 염화철 용액(123) (도 2에서 Fe2+ + Fe3+로 표시됨)은 용해 탱크(118)로부터 산 재생 셀(104)의 환원전극 챔버(106)로 공급될 수 있다(복수의 셀의 스택일 수 있음). 산 재생 셀(104)은 환원전극(108), 산화전극(112) 및 분리막(114)을 포함한다. 분리막(114)은 양성자 교환막(PEM) (또는 양이온 교환막), 음이온 교환막(AEM), 폴리머 또는 세라믹 미세 다공성 분리막, 또는 다른 다공성 분리막, 이오노머(ionomer) 또는 이들의 조합을 포함하는 이용 가능한 임의의 유형일 수 있다.
일부 실시예에서, 산 재생 셀 분리기(114)는 산화전극(112)에서 생성된 양성자가 환원전극 챔버(106)로 교차하도록 허용함으로써 환원전극액 내의 산 (양성자)의 재생을 제공하기 위해 PEM 막 또는 미세 다공성 분리기 또는 이들의 조합인 것이 유리하다. 저장소(116)의 물은 산 재생 셀(104)의 산화전극 챔버(110)로 공급될 수 있다. 셀(104)에 전류가 인가되면, 반쪽 반응(5)에 따라 물이 산화되어 산소 가스와 양성자를 생성한다.
산화전극에서의 반쪽 반응:
H2O → 2H+ + 1/2O2 + 2e (식 5)
산화전극과 환원전극 사이의 분리막으로 양성자 교환막(PEM) 또는 미세 다공성 분리막을 사용하는 경우, (식 (5)에 따라) 물 전기 분해에 의해 생성된 양성자는 산화전극 챔버(110)에서 환원전극 챔버(106)로 이동한다.
환원전극(108)에서, 철(ferric)의 철(ferrous)로의 환원은 다음에 따라 발생한다:
Fe3+ + e → Fe2+ (식 6)
산 재생 셀(104)에서 철 금속 증착까지 진행하지 않고 철 생성에서 멈추도록 반응이 제어될 수도 있고, 심지어 수소 생성으로만 진행되도록 제어될 수도 있다는 점에 유의하라. 철의 증착은 산 재생 셀(104)이 작동되는 전류 밀도에서 산 재생 셀(104)로의 Fe3+ 이온의 공급이 불충분하기 때문에 발생할 수 있다. 즉, Fe3+ 이온이 새로 용해된 공급 원료에서 Fe3+ 이온으로 대체되는 속도보다 빠른 속도로 Fe2+로 전기 화학적으로 환원되는 경우 (예: 주어진 유량에 비해 너무 낮은 유속 또는 너무 높은 전류인 경우), 그 다음으로 가장 가능성이 높은 반응은 수소 가스를 형성하는 물 환원 후 철 침착이 될 것이다. 이러한 반응이 발생하면 정상 상태의 철 환원보다 셀 전압이 최소 0.77V 이상 급격히 상승하는 것으로 감지될 수 있다. 따라서, 철(ferric)-철(ferrous) 전환 전위보다 상당히 높은 (예를 들어, 0.77V 이상) 셀 전압이 감지되면, 철(ferric) 용액의 유속을 증가시키거나 산 재생 셀(104)에 적용되는 전류 밀도를 감소시킴으로써 수소 생성 및/또는 철 침착을 중지하고 더 나아가 방지할 수 있다. 일부 실시예에서, 간헐적 또는 재생 에너지 전원으로부터 가용 전력의 감지되거나 통신된 증가 또는 감소에 대응하여 산 재생 셀 전류 밀도는 증가 또는 감소될 수 있다.
한편, 산 재생 셀(104) 내에 일정량의 철 침착은, 철의 농도가 다시 상승할 때 침착된 철이 새로운 철(Fe3+)에 의해 용해될 것이므로 반드시 문제되는 것은 아니다. 따라서, 일부 실시예에서 산 재생 셀(104) 내의 철의 침착을 감지하는 것에 대응하여, 철 이온의 증가된 농도로 인해 전압이 "정상" 범위로 복귀할 때까지 환원전극액의 유속이 증가되거나 산 재생 셀(104)에 적용되는 전류가 증가될 수 있다.
철 (ferric) 용액이 철 (ferrous) 용액으로 전환됨에 따라, 동일한 결과가 발생할 수 있다 (즉, 가용 Fe3+의 양이 인가된 전류에 비해 너무 낮을 수 있다). 따라서, 일부 실시예에서, 임계 전압 (철 증착의 시작(onset)을 나타낸다, 또는 철(ferric)-철(ferrous) 변환과 철 도금 사이의 혼합 전위 평균 전압)에 도달할 때까지 전압을 변화시키도록 하는 정전류(CC)에서 셀을 작동하는 소위 CC-CV 프로토콜에 따라 산-재생 셀을 작동하는 것이 유리할 수 있다. 임계 셀 (또는 반쪽 셀) 전압에 도달하면, 산 재생 셀(104)은 임계 전압과 동일하거나 그 이하의 정전압에서 작동되어, 전류가 감소하고 점근적으로 0에 근접할 수 있다. 정전압은 목표 전류 또는 전류 밀도에 도달할 때까지(예를 들어, 약 0.1mA/cm2 ~ 약 10mA/cm2, 선택적으로 약 0.1mA/cm2 ~ 약 0.5mA/cm2) 또는 "충분한" Fe3+가 Fe2+로 전환되는 충분한 시간 동안 적용될 수 있다. "충분"에 도달하는 데 필요한 목표 전류 및/또는 시간은 경험적으로 그리고 경제적 요인에 기초하여 결정될 수 있다.
산 재생 셀(104) 산화전극(112)으로부터 오는 양성자는 철 염 환원으로부터 이용 가능한 음이온과 함께 산을 형성한다 (예를 들어, 염산은 염화철 (ferric chloride) 환원으로부터 이용 가능한 염화물과 함께 형성될 수 있다). 따라서 산 재생 셀(104)의 환원전극 챔버(106)를 빠져나가는 용액(125)은 철염 (ferrous salt) 및 산(예컨대, 염화철 (ferrous chloride) 및 염산)이 풍부해진다. 이 단계에서는 일반적으로 철 금속 형성이 방지되므로 금속의 산 공격으로 인한 효율 손실이 없다. 그런 다음 용액(125)은 용해 탱크로 반환되어 새로 생성된 산이 더 많은 철 공급 원료(120)를 용해하는 데 사용되어 철염 (ferric salt) (예: 염화철 (ferric chloride))으로 전환되고 공정이 계속된다. 따라서 산은 추가 철광석 용해를 위해 재생된다.
산 재생 셀(104)의 산화전극(112) 측에서, 산화전극 챔버(110)를 빠져나가는 용액(117r)은 기-액 분리 장치(도 2에 도시되지 않음)를 통해 공급될 수 있는데, 여기서 산소는 용액으로부터 제거된 후 남은 물을 물 저장소로 반환하고 이어서 산 재생 셀(104) 산화전극 챔버로 다시 반환할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 기체 분리는 물 저장소(116) 내에서 직접 수행될 수 있다.
전기 화학적 산 재생 셀(104)의 한 가지 기능은, ferric 철을 ferrous 철로 환원하여 용해 생성물을 환원된 산화 상태를 갖는 다른 생성물로 전환하는 것이다. 이러한 ferric 이온의 제거는 용해 생성물의 축적을 방지하고 철광석의 용해 속도를 예상보다 크게 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 또한, 이 공정은 축적되면 용해에 방해가 될 수 있는 ferric 철을 산화철 용해에 유익한 효과가 있는 것으로 밝혀진 화합물인 ferrous 철로 전환한다. 지속적인 액체 재순환을 통한 용해 과정 동안, 산 재생 셀(104)은 ferric 철 농도를 상대적으로 낮게 유지하면서 ferrous 철 농도를 증가시킴으로써, 상당한 양의 산화철을 포함하는 철 공급 원료의 용해에 이중의 이점을 발생시킨다.
산 재생 셀(104)의 두 번째 기능은 철 공급 원료의 용해에 의해 소비되는 산을 재생하는 것이다. 산 재생 셀(104)이 없으면, 용해가 진행되고 용해 반응에서 산이 소비됨에 따라 산 농도가 점진적으로 감소할 것이다. 산 재생 셀(104)에서 분리막으로 PEM이 사용될 때, 산은 재생되고 환원전극 챔버(106)에서 ferrous 철 풍부 용액과 혼합되어 용해 탱크(118)로 되돌아가고, 둘 다 철 공급원료(120)의 용해에 긍정적인 이득을 가져온다.
일부 실시예들에서, 고온이 용해에 도움이 되므로 용해 탱크(118)는 주변 온도 이상으로 유지될 수 있다. 일반적인 온도 범위는 20 내지 120°C 사이, 바람직하게는 일부 실시예에서 40 내지 100°C 사이, 특히 약 50°C 내지 약 90°C 사이일 수 있다. 다양한 실시예에서, 산 재생 셀(104)은 약 40°C 내지 80°C, 바람직하게는 약 60°C +/- 10°C의 온도에서 작동될 수 있다. 산 재생 셀(104)에 인가되는 전류 밀도는 약 0.1 A/ cm2 내지 약 2 A/ cm2 사이일 수 있다.
일부 실시예에서, 최종 용존 철 농도 목표는 전형적으로 0.1 M 내지 4 M 사이일 수 있고, 일부 실시예에서는 0.5 내지 2 M 사이가 바람직하다. 일반적으로 철 농도는 원치 않는 침전을 피하기 위해 사용되는 용액에서 용해도 한계 이하로 유지되어야 한다.
산 재생 셀(104) 환원전극 챔버(106)를 통한 환원전극액의 유량은 (본원에서 설명된 바와 같이) 산 재생 셀(104)을 가로지르는 주어진 인가 전류에 대해 적어도 ferric 철 이온 대 전자의 화학양론적 비율을 전달하도록 제어될 수 있다. 유사하게, 산화전극 챔버(110) 내의 물 (또는 다른 반응물) 흐름은 산 재생 셀(104)에 인가되는 전류에서 물 분할 (또는 다른 반응물 소비 반응)에 대한 화학양론적 요건을 초과하여 유지되는 것이 바람직하다. 다양한 실시예에서, 산 재생 셀(104)에 인가되는 전류는 약 0.1mA/ cm2 내지 약 2,000mA/ cm2의 범위일 수 있고, 일부 보다 특정한 실시예에서는 약 0.5mA/ cm2 내지 약 1,000mA/ cm2의 범위일 수 있으며, 또는 가용 철 농도 및/또는 전기의 가용성에 따라 그 범위에서 가변될 수 있다. 본 개시 및 첨부된 도면들에 기초하여 명확해질 것이지만, 산 재생 셀(104)은 도금 셀(132)과 다른 전류 밀도에서 작동될 수 있다.
일부 실시예에서, 산 재생 셀(104)의 환원전극(108)은 탄소 또는 흑연 펠트, 종이 또는 천과 같은 임의의 탄소 또는 흑연 기반 전극 또는 ferric 철염/ferrous 철염 환경에서 안정한 임의의 전극 재료일 수 있다. 산 재생 셀(104) 산화전극(112)은 귀금속 전극(예컨대, 금속 및 산화물 또는 Ir, Ru, Pt, Rh, Pd 등의 다른 화합물을 포함하는 혼합 금속 산화물), 치수 안정 산화전극(dimensionally stable anode, DSA), 납 및 이산화납 전극, 다른 산화물 기반 전극 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 물 전기분해 기술에서 이용 가능한 임의의 전형적인 전극일 수 있다. 금속 또는 혼합 금속 산화물은 티타늄 입자 등을 포함하는 촉매 지지체 상에 지지될 수도 있고, 지지되지 않을 수도 있다. 본 명세서에 기술된 일부 실시예에서, 산 재생 셀(104) 산화전극(112)은 수소 가스를 산화하도록 구성된 수소 탈분극 산화전극일 수 있고, 따라서 탄소 상 백금 또는 임의의 다른 수소 산화 촉매를 포함하여, PEM 기반 수소 연료 전지에서 통상적으로 사용되는 것과 유사한 임의의 적합한 수소-산화 촉매를 포함할 수 있다. 산 재생 셀(104)은 20~100°C 사이의 넓은 온도 범위, 바람직하게는 일부 실시예에서 40~80°C 사이의 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있다.
산 재생 셀(104)의 산화전극 챔버(110)로 공급되는 수용액은 순수한 물일 수도 있고, 이하에서 더 설명하는 바와 같이 환원전극액에 대한 삼투압을 증가시키기 위한 염을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 황산염 화학의 경우, 염은 황산철, 황산나트륨, 황산칼륨, 황산암모늄 등과 같은 임의의 용해성 황산염 염을 포함할 수 있다. 이러한 지지 염은 도금 반응에 의해 철이 용액에서 제거될 때 전해질 전도도를 유지하기 위해 도금 셀에서 특히 유용할 수 있다. 이 물은 외부 공급원으로부터 올 수도 있고, 철광석의 용해가 물을 생성하기 때문에 시스템으로부터 회수될 수도 있고, 또는 외부 및 내부적으로 회수된 물의 조합일 수도 있다.
본원에 기술된 바와 같이, 물은 광석의 용해에 의해 생성된다 (일부 경우, 광석 자체에 물이 포함될 수도 있다). 결과적으로, 산 재생 셀 환원전극액 (즉, 최종적으로 도금 셀로 전달될 철 풍부 산 용액)에서 수분 함량이 지속적으로 증가하고, 더 많은 광석이 용해되어, 용액의 희석이 더 일어난다. 동시에, 산 재생 셀(104)의 전해질에서 물이 분리되고 (따라서 소비되고) 있다. 따라서, 산 재생 셀(104) 환원전극액에서 물을 추출하고 추출된 물을 산화전극액을 공급하는 물 공급원에 추가하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예에서, 이것은 삼투에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 산 재생 세포 (104) 산화전극액 (117)은 물이 산화전극액에서 환원전극액으로 이동하기 위한 삼투압을 생성하기 위해 산 재생 환원전극액 (123) 내의 최대 염 농도를 초과하는 염 농도를 제공받을 수 있다. 다른 실시예에서, 물은 플래시 증류, 막 증류, 역삼투압, 또는 다른 방법과 같은 보다 적극적인 방법에 의해 산 재생 셀 환원전극액로부터 추출될 수 있다. 분리된 물은 임의의 편리한 지점에서 산 재생 셀 산화전극액에 첨가하기 전에 필요한 경우 여과되거나 다른 방식으로 정제될 수 있다.
일부 실시예에서, 산 용액은 산 재생 셀 (104) 환원전극 챔버와 용해 탱크 (118) 사이에서 연속적으로 순환될 수 있다. 용해 탱크 (118)를 통과하는 각 사이클에서, 산의 일부가 용해 반응 (예를 들어, 상기 식 4)에 의해 소비될 것이고, 산 재생 셀(104)을 통과하는 각 사이클에서, 산의 일부가 철의 일부의 환원과 동시에 재생될 것이다. 따라서, 산 재생 셀(104)과 용해 탱크(118) 사이에서 산성 전해질을 지속적으로 재순환시킴으로써, (예를 들어, 양성자 농도 또는 pH에 의해 측정되는) 산의 정상 상태 농도가 용해 과정의 대부분에 걸쳐 환원전극액에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 산 재생 결합 용해의 정상 상태 작동 동안, 적어도 0.2 M의 환원전극액 내 양성자 농도가 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 정상 작동 동안, 새로운 사이클의 시작으로 정의되는 초기 상태는, 낮은 산 함량을 갖는 도금 서브시스템으로부터 반환되는 대부분 ferric 철 용액에 해당한다. 일부 실시예에서, (산 재생 서브 시스템에서 전해질이 반환된 후 및 산 재생기를 재시작하기 전) 초기 산 농도는 일반적으로 사이클에서 가장 낮은 지점이며, 일반적으로 0.2M (리터당 몰) 미만이다. 산 재생 셀에서 반환된 ferric 철의 환원으로 인해 산이 생성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, "용해 탱크"(118)는 도금 공정 및 장치(130)로부터 용해 서브시스템 공정 및 장치(102)를 더 분리(de-couple)하기 위해 순차적으로 또는 다른 방식으로 사용될 수 있는 다수의 개별 탱크(118)를 포함할 수 있으며, 이는 두 단계의 상이한 반응 속도를 관리하는 것과 관해 추가적인 이점을 제공한다. 예를 들어 일부 실시예에서, 산 용액은 원하는 용해 정지 지점에 도달할 때까지 산 재생 셀(104)과 제1 용해 탱크(118) 사이에서 재순환될 수 있으며, 이 시점에서 밸브 또는 다른 유량 제어 장치가 작동되어 산 재생 셀(104)과 제1 용해 탱크(118) 사이의 흐름을 정지시키고 산 재생 셀(104)을 제2 용해 탱크(118)와 결합시킬 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 일부 실시예에서, 산 용액 (산 재생 환원전극액)은 산 재생 셀(104)과의 플로우를 재개하기 전에 일정 기간 동안 용해 탱크(118)에 상주하는 상태로 유지될 수 있다. 이들 실시예 및 다른 실시예에서, 단일 산 재생 셀(104)은 상이한 시간에 다수의 상이한 용해 탱크(118)와 결합될 수 있다.
일부 실시예들에서, Fe3+에서 Fe2+로의(ferric 철에서 ferrous 철로) 전환은 전형적으로 0% ferric 철 및 100% ferrous 철인 용액에 점근적으로 접근하여 가능한 한 멀리 구동될 수 있다. 실제로 용해 과정이 "완료"된 것으로 간주될 때, 일부 ferric 철 이온이 용액에 남아있을 수 있으며, 산 pH는 순수 ferrous 철 용액의 자연 pH보다 낮게 유지될 수 있다. 철 도금 공정 동안 용액 pH가 너무 낮게 유지되면 (즉, 순수 ferrous 철 용액의 자연 pH보다 낮게 유지되면), 과량(excess) 양성자가 발생될 때까지 기생 수소 발생 반응이 발생할 수 있다. 일부 실시예에서, 용해 공정의 끝 근처에 남아있는 일부 산은 도 10을 참조하여 본원에 기술된 바와 같이 산 용액과 다량의 고용성(highly-soluble) 광석 물질 (예를 들어, 마그네타이트)을 접촉시킴으로써 소비될 수 있다. 또는, 용해가 끝날 때 존재하는 잔류 산 또는 ferric 철은 아래에 설명된 바와 같이 (수소 발생을 초래할 수도 있는) "보조 철" 처리에서 소비될 수 있다. 이러한 반응에 의해 발생되는 수소는 포집되어 본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 다른 목적으로 재사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 산 재생 셀(104) 환원전극액(122)의 산 용액은 0.01 M 내지 6 M 범위의 가변 산 농도를 가질 수 있다. 용해가 진행됨에 따라 산은 소비될 것이다. 산 재생 셀(104)은 환원되는 ferric 철 1몰당 양성자 1몰을 유리하게 회수한다. 그럼에도 불구하고, 공급원료로부터 용해된 각 1 몰의 ferric 철은 3 몰의 양성자를 소비하므로, 공급원료의 추가 용해는 환원전극액 내의 총 양성자 농도를 더욱 감소시킬 것이다.
따라서, 일부 실시예에서, (예를 들어, pH 또는 양성자 농도의 다른 측정치에 의해 측정된) 산 농도가 미리 결정된 저점에 도달할 때 용해 공정이 종료될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 산 재생 환원전극액의 양성자 농도가 (각각 0.4, 0.52, 0.7, 1의 pH에 대응하는) 0.4 M, 0.3 M, 0.2 M, 0.1 M 또는 더 낮은 지점으로 떨어질 때 용해 공정이 종료될 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 용해 공정은 총 철 농도 (즉, Fe2+ 및 Fe3+ 농도의 합)가 원하는 최대치에 도달할 때 종료될 수 있다. 다양한 실시예에서, 바람직한 최대 철 농도는 약 1M 내지 약 4 M 일 수 있다. 총 철 농도는 전량 적정법(coulometric titration) 기술, 자외선 가시 분광 분석, 적/녹/청색(RGB) 분석 또는 다른 광학 또는 분광 기법과 같은 광학 방법에 의해 측정될 수 있다. 일부 특정 실시예에서, 용해 공정은 원하는 철 농도가 예를 들어, 산 화학에 따라 최대 1 M, 1.5 M, 2 M, 2.5 M, 3 M, 3.5 M, 4 M 또는 그 이상에 도달할 때, 또는 그 이상에 도달할 때, 중단될 수 있다.
일부 실시예에서, 용해 조건의 종료가 확인되면, 철(ferrous)-철(iron)-풍부 산 용액은 산 재생 셀(104)로부터 후속 공정 단계로 이동될 수 있다. 일부 실시예에서, 다음 단계는 하기 설명된 바와 같이 "보조 철" 처리일 수 있다. 다른 실시예들에서, 철(ferrous)-철(iron)-풍부 용액은 도금 서브시스템으로 직접 이동될 수 있다.
다른 실시예들에서, 용해 조건의 종료가 확인되면 산 재생을 중단하도록 산 재생 셀로의 전류가 중단될 수 있고, 철-풍부 산성 환원전극액은 잔류 산의 일부를 소비하기 위해 마그네타이트와 같은 열적 환원 광석과 접촉될 수 있다. 일부 실시예에서, 마그네타이트는 산 재생 셀에 대한 전류가 중단된 후 (또는 바로 직전 또는 거의 동시에) 용해 탱크에 첨가될 수 있다. 다른 실시예에서, 환원전극액 용액은 실질적으로 마그네타이트 광석만을 포함하는 별도의 용기로 리디렉션(redirect)될 수 있다. 마그네타이트는 (본 명세서에 설명된 바와 같이) 다른 광석 유형에 비해 매우 빠르게 용해되기 때문에, 용해가 끝날 때 환원전극액을 마그네타이트와 접촉시키면 잔류 산 (양성자)의 일부가 소비되어 후속 단계 (예를 들어, 도금 셀, 연마 셀 또는 본원에서 기술된 "보조 철" 처리에서)에서 제거되거나 소비되는 산의 양이 감소하는 경향이 있다. 다양한 실시예들에서, 상이한 처리된 광석의 순차적 용해를 포함하는 다른 공정들이 가능하며, 그 중 일부 실시예들이 도 5A 및 도 5B를 참조하여 이하에서 설명된다.
다른 실시예들에서, 용해 조건의 종료가 확인되면, 산 재생 셀(104)로의 전류가 중단되어 산 재생이 중단될 수 있고, 철 풍부 산성 환원전극액은 잔류 산의 일부를 소비하기 위해 마그네타이트와 같은 환원된 광석과 접촉될 수 있다. 일부 실시예에서, 마그네타이트는 산 재생 셀(104)에 대한 전류가 정지된 후 (또는 바로 직전 또는 거의 동시에) 용해 탱크(118)에 첨가될 수 있다. 다른 실시예들에서, 환원전극액 용액은 (하기 도 10을 참조하여 상세히 설명되듯) 실질적으로 마그네타이트만을 포함하는 별도의 용기로 리디렉션될 수 있다. 마그네타이트는 (본원에 설명된 바와 같이) 다른 광석 유형에 비해 매우 빠르게 용해되기 때문에, 용해가 끝날 때 환원전극액 용액을 마그네타이트와 접촉시키면 잔류 산 (양성자)의 일부가 소비되는 경향이 있어서, 후속 단계 (예를 들어, 도금 셀, 연마 셀 또는 본원에 설명된 "보조 철" 처리)에서 제거되거나 소비되는 산의 양이 줄어든다. 다양한 실시예에서, 상이한 처리된 광석의 순차적 용해와 관련된 다른 공정이 가능하며, 그 중 일부 실시예가 도 10을 참조하여 아래에 설명된다.
본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 선택적인 고액 분리 단계(124)는 용해 탱크를 통해 각 사이클 후에 수행될 수 있다. 일부 경우, 철 공급 원료의 용해는 입자 또는 콜로이드 분산액으로 액체에 들어가는 실리카 (또는 다른 용해되지 않은 물질)의 양을 야기할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 용액을 산 재생 셀(104)로 반환하기 전에 용액으로부터 고체 물질을 분리하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예에서, 고체는 여과, 중력 침전, 하이드로사이클론, 응집, 고전단 또는 저전단 교차 흐름 분리, 또는 이들 또는 다른 것들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 적합한 고액 분리 장치 또는 기술에 의해 이 단계에서 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 실리카와 같은 콜로이드 물질은 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 옥사이드 또는 이와 유사한 물질과 같은 응집제와의 응집에 의해 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 보조 철 처리, 고액 분리, 또는 다른 처리 공정과 같은 추가 처리 단계(126) (도 4)가 용해 서브시스템(102)을 빠져나가는 모든 액체에 대해 수행될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 석영과 같은 불용성 물질은 필터링 또는 다른 고액 분리에 의해 분리될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 콜로이드 실리카와 같은 불용성이지만 미세한 현탁액은 응집과 같은 별도의 단계에서 제거될 수 있고, 선택적으로 여과, 침전 및/또는 다른 물리적 분리 수단에 의해 뒤이어 제거될 수 있다.
다양한 실시예에서, 산 재생 셀(104)은 단일 셀로; 또는 다수의 전기 화학적 산 재생 셀이 전기적으로 직렬 연결된 바이폴라 구성, 전기적으로 병렬 연결된 단극 구성 또는 이들의 조합으로 공통 유닛(104)에 결합되는 셀 스택으로; 구성될 수 있다. 산 재생 셀 스택은 (예컨대, 유압 피스톤 또는 타이 로드 또는 다른 압축 장치에 의해 압축되는) 필터-프레스 구성 또는 다른 구성을 포함하여 전기 화학 셀 스택에서 일반적인 방식으로 구성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 전기 화학 스택의 전형적인 추가 구성요소들은 집전판, 산화전극판, 유동 채널, 엔드 플레이트 등을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 필터링 시스템, 펌프 및 열 교환기 등과 같은 추가 구성요소 또는 장비가 포함될 수 있는데, 이는 용해 탱크로부터 산 재생 셀(104)로의 및 다른 서브 시스템으로부터/으로의 유체 전달을 포함하는 다른 작동을 제공하고 온도 조절을 가능하게 하기 위한 것이다. 일부 실시예에서, 원광석, 로스팅된 광석 및/또는 환원 광석은, 예를 들어 공급원료 조건을 선택적으로 변화시키기 위해, 동일한 용해 탱크에서 선택된 순서로 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 다수의 탱크를 사용하는 대신에, 원광석, 로스팅된 광석 및/또는 환원 광석은 예를 들어, 동일한 용해 탱크에서 선택된 순서로 제공되어 공급 원료 조건을 선택적으로 변화시킬 수 있다.
보조 철 처리
일부 실시예들에서, 용해 공정이 완료될 때 철 풍부 산 용액의 전부 또는 일부가 "보조 철 처리" 공정이 수행될 수 있는 반응 용기로 향할 수 있다. 용해가 끝날 때 철 풍부 산 용액의 상태 및 도금 서브시스템으로 전달될 용액의 원하는 조건에 따라, 산 소비, 철 환원 및/또는 불순물 침전 중 하나 이상의 가능한 반응이 발생할 수 있다.
철 풍부 산 용액과 반응하거나 산 용액의 조성을 달리 변경하기 위한 목적으로 사용되는 금속 철은 본 명세서에서 "보조 철"로 지칭되며, 용액과의 원하는 반응을 촉진하기에 충분히 작은 크기의 입자들로 금속 철을 포함하는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 보조 철 재료는 고철 (scrap steel), 고철 (scrap iron), 철 먼지(예: 다른 산업 공정에서 발생하는 미세 입자 철 함유 먼지), 선철, 전해철 또는 본원에 기술된 철 전환 공정 (또는 다른 공정)에서 재활용된 철 또는 이들 또는 다른 금속-철 함유 재료의 조합을 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않는다. 보조 철 재료는 임의의 입자 크기일 수 있지만, 일반적으로 입자가 작을수록 반응 속도가 더 빠를 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서는 상대적으로 큰 입자(예를 들어, 2㎝보다 큰 입자)도 "보조 철"로 사용될 수 있다.
철 풍부 산 용액이 금속 철과 접촉될 때, 잔류하는 산은 금속 철과 반응하여 하기 식에 따라 금속 철을 ferrous 철(Fe2+) 이온으로 전환시키면서 수소 가스를 방출하는 경향이 있다:
Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 (식 7)
따라서, 일부 실시예에서, 보조 철 반응 용기(예를 들어, 용액이 보조 철과 접촉될 수 있는 탱크 또는 다른 용기)는 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 발생한 수소 가스가 수집되어 다른 공정 또는 서브 시스템으로 향할 수 있는 폐쇄된 용기로 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 용해 공정이 완료될 때 철 풍부 산 용액 내에 존재하는 잔류 Fe3+ 이온은 용해될 금속 철에 노출되어, ferric 철 이온과 반응하여 둘 다 ferrous 철 이온으로 전환됨으로써 Fe2+로 환원될 수 있다. 예를 들어, Fe3+는 대부분 ferrous 철 용액을 금속 철 입자 ("보조 철") 위로 또는 입자를 통과시켜 Fe2+로 환원될 수 있다. 이렇게 하면 하기 식에 따라 용액의 일부 금속 철과 Fe3+가 Fe2+로 변환되는 효과가 있다:
Fe3+ + Fe → 2Fe2+ (식 8)
유리하게, 이들 두 반응(산 소비 및 ferric 철 환원)은 철 도금 동안 기생 수소 발생 반응의 발생을 감소시킬 뿐만 아니라 Fe3+를 감소 (또는 잠재적으로 제거)시킴으로써 도금 서브시스템에서 철 도금의 효율을 증가시킬 것이다.
일부 실시예에서, 과량의 산 및 철 이온은, 잔존하는 Fe3+를 Fe2+로 전기분해적으로 변환하고 산을 소비하여 환원전극액의 pH를 상승시키도록 구성된 별도의 전기화학 셀 ("연마 셀")에서 소비될 수 있다. 이러한 셀은 과도한 산과 ferric 철을 소비하는 과정에서 불순물 제거를 분리하도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 연마 셀은 도금 셀과 실질적으로 유사하게 구성될 수 있지만, 금속 철의 제거를 제공할 필요 없이 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 폴리싱 셀은 전기 도금 없이 그리고 셀 환원전극에서 Pt와 같은 귀금속 전극을 사용하지 않고 H2 발생을 일으키도록 구성될 수 있다.
불순물 제거
카올리나이트 및 기타 규산염(실리케이트) 광물을 포함한 일부 불순물은 일반적으로 산 재생 셀에서 생성된 산 용액에 불용성이다. 따라서, 이러한 불용성 불순물을 포함하는 광석 또는 다른 공급 원료가 작은 입자로 분쇄되어 산 재생 셀(104)에 연결된 용해 탱크에 배치될 때, 불용성 불순물은 용액으로부터 여과되고, 탱크의 바닥에서 수집되어 고체로서 탱크에서 제거되거나, 다른 적절한 고액 분리 기술 또는 장치에 의해 제거될 수 있다. 다양한 실시예에서, 수집된 고체 불순물은 처리 및 폐기되거나 "불순물"이 공급원료가 될 수 있는 다른 공정에서 사용될 수 있다.
일부 형태의 비정질 실리카를 포함하는 일부 고체 불순물은 산 용액에서 콜로이드 분산액을 형성하는 경향이 있을 수 있다. 이러한 물질은 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리에틸렌 산화물과 같은 응집제로 응집시킴으로써 용액으로부터 분리될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일부 실리카는 용해된 상태로 남아있을 수 있다.
일부 불순물은 용액에서 철 또는 다른 물질과 상대적으로 낮은 용해도 화합물을 형성할 수 있다. "용해도"라는 용어는 주어진 용액에서 화합물의 열역학적 용해도 한계를 의미하며, 이는 화합물이 용액으로부터 고체로서 침전되기 시작하는 농도 한계이다.
중요한 용해성 불순물에는 알루미늄, 실리콘, 티타늄 및 인 화합물 등이 포함된다. 알루미늄 화합물은 용해되어 Al3+ 양이온을 형성하고, 인은 일반적으로 용해되어 인산염 PO4 3-를 형성할 수 있다. 이러한 불순물은 펌핑, 여과, 산 재생, 철 도금 등과 같은 다운스트림 공정에서 다양한 문제를 일으킬 수 있다. 알루미늄 불순물은 철광석에 미처리 광석의 약 10 중량 퍼센트까지 존재할 수 있다. 인은 훨씬 적은 양(예: 일반적으로 1% 미만이지만 더 많을 수 있음)으로 존재하는 경향이 있지만, 소량의 인이라도 제강 공정 전에 제거해야 하므로 도금 셀에서 생산되는 도금 철에는 바람직하지 않다. 특히, 알루미늄 및 인 불순물은 철 전기 도금 공정을 방해하는 것으로 밝혀졌다.
도 8A에 도시된 바와 같이, 수산화 알루미늄의 용해도는 pH가 3 이상으로 증가함에 따라 현저히 감소한다(예를 들어, pH 3과 5 사이에서 용해도는 6배 정도 감소한다). 도시되지는 않았으나, 수산화철(II) (Fe(OH)2 또는 "ferrous 철" 수산화물)은 이 pH 범위에서 높은 용해도를 가진다. 이는 수산화알루미늄 (Al(OH)3)이 용해가 끝날 때 약 1 또는 2의 pH에서 약 5까지 pH를 3 이상으로 높이면 철 이온의 실질적인 침전 없이 침전될 수 있음을 시사한다. 마찬가지로, 철 또는 알루미늄의 인산염도 비슷한 이유로 상당한 양의 철을 침전시키지 않고 침전될 수 있다. 경우에 따라 콜로이드 실리카는 (예를 들어 다른 종의 침전과 함께 응집에 의해) 용액 pH를 높여 제거할 수도 있다. (존재하는 경우) 수산화티타늄도 비슷한 pH 범위에서 침전되며 용액에서 분리되어 제거될 수 있다.
일반적으로, 용액에 새로운 원소를 첨가하지 않고 용해된 광석 용액의 pH를 높이는 것이 바람직하다 (그러한 새로운 원소는 다른 공정에 더 영향을 미치거나 복잡하게 할 수 있기 때문이다). 따라서, 일부 실시예에서, 금속 "보조 철"은 이러한 불순물을 침전시키기에 충분하도록 용액 pH를 높이는 데 사용될 수 있다.
(즉, 산과 반응하여 수소 가스를 형성함으로써) 보조 철의 추가 소비로 pH가 상승함에 따라, 인은 주로 인산 알루미늄 염으로서 침전되는 경향이 있으므로, 인을 제거할 때 철이 반드시 소비되는 것은 아니다.
Al3+ (aq) + PO4 3- (aq) (pH=1 에서) → AlPO4(s) (pH=3 에서) (식 9)
알루미늄과 같은 금속 양이온의 경우, 철은 용액에서 양이온을 치환하여 금속을 수산화물로 침전시킨다. 실질적으로 순수한 철을 생산하도록 설계된 시스템에서, 불순물의 양은 철에 대한 불순물의 몰 비율로 표현될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 1몰을 제거하려면 (황산을 비제한적인 예로 사용한) 식 10에 따라 1.5몰의 보조 철을 사용해야 한다:
Al2(SO4)3(aq) + 3Fe + 6H2O → 2Al(OH)3(s) + 3FeSO4(aq) + 3H2 (식 10)
이 반응에 의해 물이 소비되고 수소 가스가 생성된다. 제거된 양성자는 양이온의 가수분해로 인해 산성이 된다 (하기 식 11). 어떤 경우에, 발생한 수소 가스의 적어도 일부가 수집되어 본원에 설명된 대로 시스템 내의 다른 공정에 사용될 수 있다.
Al3+ + H2O → AlOH2+ + H+ (식 11)
경우에 따라, 철 전기도금에 사용될 철 풍부 산성 용액의 부분 (즉, 도금 환원전극으로 사용될 용액의 부분)에만 철을 첨가하여 불순물을 제거하는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 산 재생기가 사용되고 전기도금 단계를 위해 전해액을 두 부분으로 나누어 사용하는 경우, 도금 셀 환원전극으로 지정된 부분 (예를 들어, 산 재생기에서 나오는 전해액의 약 1/3)에 대해서만 부수적으로 철 금속을 첨가하여 처리할 수 있다.
금속 철이 용액에 용해됨에 따라, 금속 철은 또한 용해된 모든 ferric 철(Fe3+)을 ferrous 철(Fe2+)로 전환시킬 것이다. 예를 들어, (예를 들어 황산의 경우) 식 12에 따라 황산철로 전환된 황산철 1몰당 0.5몰의 금속 철이 소비된다:
Fe2(SO4)3 + Fe → 3FeSO4 (식 12)
용해된 금속 철은 또한 식 13에 따라 처리된 전해질에 남아있는 산을 1대 1 몰 비율로 소비할 수 있다:
H2SO4 + Fe → FeSO4 + H2 (식 13)
따라서, 전해질의 양에 첨가될 보조 철의 양은 불순물 (예를 들어, 특히 알루미늄 및/또는 인), 잔류 ferric 철 이온 및 잔류 산의 측정, 추정 또는 가정된 양에 기초하여 결정될 수 있다. 전해질을 과량의 보조 철 (즉, 식 10, 11, 12, 13의 반응을 달성하는 데 필요한 것보다 더 많은 금속 철, 이로 인해 해당 반응이 최대한 진행된 후에도 일부 금속 철이 남도록 하는 것이 유익할 수 있다.)에 노출시키는 것이 유익할 수 있다. 필요한 경우 부유, 여과 및 자기(magnetic) 분리를 포함한 다양한 분리 방법을 통해 침전된 불순물에서 보조 철을 분리할 수 있다. 마찬가지로, 침전된 불순물은 임의의 적절한 고액 분리 장치 또는 기술에 의해 용액으로부터 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 처리된 용액은 불순물 제거 (및/또는 보조 철) 처리가 수행되는 용기로부터 펌핑되어, 다음 처리 사이클을 위해 탱크 내에 철 금속 및 침전된 불순물을 남길 수 있다.
알루미늄이 존재하지 않더라도, 인은 다양한 인산철 및 산화물 화합물의 용해도를 나타내는 도 8B 및 도 8C의 용해도 다이어그램에 의해 제시된 바와 같이 인산철의 침전에 의해 효과적으로 제거될 수 있다. 처리 단계가 시작될 때, 항상 잔류 철 농도가 있다. 도 8C에서 볼 수 있듯이 인산철은 용해도가 매우 낮기 때문에 식 7에서 반응으로 인해 pH가 증가하자마자, 인산철은 용액 밖으로 침전될 것이다.
불순물의 종류에 따라 불순물을 관리하거나 제거하는 다양한 다른 방법들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 불용성 불순물은 여과, 중력, 원심 분리, 또는 다른 기계적 분리에 의해 단순히 고체로서 제거될 수 있다. 철 도금을 방해할 수 있는 용해성 불순물은 ("보조 철" 처리 동안을 포함하는) 철, 알루미늄과 같은 다른 물질과 화합물을 형성함으로써 제거될 수 있거나, 최종 도금 물질에서 그러한 불순물의 농도가 허용 가능한 경우 (이는 생산된 철 물질의 특정 제품 또는 최종 용도에 따라 달라질 수 있음) 단순히 철과 함께 침착되도록 허용될 수 있다.
도금에 무해한 용해성 불순물은 단순히 용액에 남아있을 수 있다. 결국, 그러한 불순물의 농도는 물을 추출하여 제거할 수 있는 지점까지 축적될 수 있다. 또는, 드물게 발생하는 불순물은 결국 pH 변화로 인한 침전 또는 다른 방법에 의해 제거될 수 있을 정도로 충분하게 (예를 들어, 충분한 용해 및 도금 사이클에 걸쳐) 농도가 축적될 수 있다. 다른 실시예에서, 전해질 용액은 그러한 불순물이 충분한 수준으로 축적될 때 간단히 교체될 수 있다.
철 도금 서브시스템
일부 실시예들에서, 도 1A 및 도 1B를 참조하여 상기 기술한 원 스텝(one-step) 철 전환 공정은 전술한 도금 셀(132)과 다르게 구성된 제2 전기화학 셀에서, 산 재생 셀(104)에서 생성된 철을 금속 철로 전환하는 데 활용되도록 조정될 수 있다. 이러한 실시예에서, 산 재생 셀(104)로부터의 철 용액은 전기 화학 도금 셀 (도시되지 않음)의 환원전극에서 Fe 금속을 도금하는 동시에 동일한 도금 셀의 산화전극에서 물을 산화시키는 데 사용될 수 있다. 음이온 교환막은 산화전극 측 (즉, 물 산화 측, 이로 인해 도금된 철과의 산 반응을 최소화)에서 산이 생성되도록 여기에 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 실시예들은 물분해 전극이 상대적으로 고가일 수 있고, 따라서 높은 전류 밀도에서 가장 경제적으로 작동되는 반면, 철 도금 반응은 상대적으로 느리게 진행되어 높은 전류 밀도에서 효과적으로 구동될 수 없다는 단점을 갖는다.
일부 실시예에서, 납 산화물 전극은 도금 셀에서 상대적으로 저가의 산소 발생 산화전극으로서 사용될 수 있으며, 이는 낮은 전류 밀도 작동을 보다 경제적으로 실용적으로 만들 수 있다. 다른 실시예에서, 도금 셀 산화전극은 수소 저장 장치와 같은 공급원으로부터 제공되거나 물 전해조 (예를 들어, PEM, AEM 또는 알칼리 물 전해조) 로부터 직접 제공된 수소 가스를 산화하도록 구성된 수소 산화 산화전극일 수 있다. 도금 셀의 비용을 감소시키기 위한 또 다른 접근법은 철 증착 (ferrous 철 환원) 반응을 용해 서브시스템으로부터 ferrous 철 용액의 일부를 산화시키는 것과 같은 다른 산화 반응과 결합시키는 것이다.
도 6 (및 다른 도면들)을 참조하면, 철 전환 시스템(100)의 일부 실시예는 용해 서브시스템에서 생성된 수성 철 용액으로부터 철 금속을 생성하도록 구성된 도금 서브시스템(130)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 용해 서브시스템(102)에서의 용해 공정은 용액 내의 철 농도가 원하는 값에 도달할 때까지 작동될 수 있다. 그 시점에서 (또는 "보조 철" 처리와 같은 후속 처리 후에), 용액은 주로 ferrous 철 용액인 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 용액은 도금 셀(132)에서 사용될 환원전극액 및 산화전극액을 나타내는 두 개의 분리된 스트림으로 분할될 수 있다.
용해 서브시스템(102)을 빠져나가는 용액은 이송 시스템(164)을 통해 도금 서브시스템(130)으로 이송될 수 있다. 이송 시스템(164)은 단순한 도관으로 도시되어 있지만, 필요에 따라 임의의 수의 흐름 제어 또는 공정 제어 장치를 포함할 수 있다. 유사하게, 도금 공정의 말미에, 일부 사용된 전해질 용액(들)은 도금 서브시스템(130)으로부터 용해 서브시스템(102)으로 이동(166)을 통해 이동될 수 있으며, 이 이동은 또한 필요에 따라 임의의 수의 플로우 제어 또는 공정 제어 장치를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도금 서브시스템(130)으로 유입되는 용액은 도금 서브시스템(130)으로 유입되는 원래의 액체 부피의 약 1/3 및 2/3 비율로 환원전극액 및 산화전극액 스트림으로 분할될 수 있다. 1/3 부피는 하나 이상의 환원전극액 저장 탱크(142)로 향하여 저장될 수 있고, 2/3 부피는 하나 이상의 분리된(별도의) 산화전극액 저장 탱크(144)로 향하여 저장될 수 있다. 설명의 단순화를 위해, 본 명세서에서는 하나의 환원전극액 저장 탱크와 하나의 산화전극액 저장 탱크가 있다고 가정한다. 다양한 실시예에서, 두 개의 탱크(142, 144)는 상이한 부피를 가질 수도 있고, 동일한 부피를 가질 수도 있으며, 부피는 상이한 부피 비율로 사용될 수도 있다. 환원전극액(142) 및 산화전극액(144) 탱크들은 전기 화학 도금 셀(132)의 환원전극 챔버(134) 및 산화전극 챔버(138)에 각각 유체적으로 연결될 수 있다.
도금 셀(132)은 환원전극 전극(136)을 갖는 환원전극 챔버(134), 막(150) 및 산화전극 전극(140)을 갖는 산화전극 챔버(138)를 포함할 수 있다. 두 전극(136, 140)은 막(150)에 의해 분리되며, 막은 PEM, AEM 또는 미세 다공성 분리막일 수 있다. 전기 화학 셀 또는 스택의 일반적인 추가 구성 요소에는 선택한 도금 셀 구성에 따라 집전판, 산화전극판, 흐름 채널, 엔드 플레이트 등이 포함될 수 있다. 도금 셀 구성의 예는 본원의 다른 곳에 설명되어 있지만, 모든 도금 셀 구성이 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 도금 셀(132)은 Fe2+ 이온의 일부를 Fe3+ 이온으로 산화시키면서 환원전극 전극(136)에서 금속 철을 도금하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에서, 매우 저렴한 탄소 또는 흑연 산화전극 물질을 사용함으로써 산소 발생 산화전극의 비용을 피할 수 있다.
도금 셀에 전류가 인가되면, ferrous 철 이온을 환원시켜 환원전극에 철 금속이 전기 도금된다:
Fe2+ + 2e → Fe (식 14)
동시에, ferrous 철 용액의 산화전극액 스트림은 도금 셀의 산화전극에서 다음과 같이 ferric 철로 산화될 수 있다:
2Fe2+ → 2Fe3+ + 2e (식 15)
(식 14) 및 (식 15)를 결합하면 전체 도금 셀 반응이 제공된다:
3Fe2+ → 2Fe3+ + Fe (식 16)
철 전기 도금 반응은 ferrous 철(Fe2+) 이온 당 2개의 전자를 필요로 하는 반면, ferrous 철이 ferric 철(Fe3+)로 산화되는 것은 이온 당 1개의 전자만 필요로 한다. 전하 균형을 이루기 위해서는 환원전극(134)보다 도금 셀(132)의 산화전극(138)에 두 배 많은 철 이온이 필요하다. 이것이 도금 서브시스템으로 유입되는 ferrous 철 용액을 산 재생 셀(104)으로부터의 초기 철 용액의 1/3 (환원전극액) 및 2/3 (산화전극액) 부분으로 분할하는 이유이다. 이는 도금 셀(132)의 산화전극 측(138)을 통과하는 산화전극액의 유속이 환원전극 측(134)을 통과하는 환원전극액의 유속의 두 배가 될 수 있음을 의미한다. 일부 실시예에서, 산화전극 유속은 환원전극 유속의 2배 이상일 수 있다. 일부 실시예에서, 산화전극 유속은 환원전극 유속의 2배 미만일 수 있다.
일부 실시예에서, 도금 서브시스템(130)으로 유입되는 ferrous 철 용액은 하나 또는 양쪽 전극의 효율, 총 철 농도, 또는 다른 요인에 따라, 상이한 비율로 산화전극 및 환원전극 부분으로 분할될 수 있다. 따라서, 다양한 실시예에서, 도금 서브시스템으로 유입되는 ferrous 철 용액은 약 90%/10% 내지 약 20%/80%, 선택적으로 70%/30% 내지 약 30%/70%의 환원전극액/산화전극액 비율로 환원전극액 및 산화전극액 부분으로 분할될 수 있으며, 및 일부 특정 실시예에서, 환원전극액/산화전극액 비율은 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% (모든 값이 +/- 3% 정도 다를 수 있음)를 포함할 수 있다.
도금 산화전극액 및 환원전극액은 임의의 도금 사이클 수 (여기서, 하나의 도금 사이클은 도금 셀 내의 산화전극액 및 환원전극액의 부피를 완전히 교체하는 것을 포함) 동안 도금 셀(132) 내의 각각의 탱크(144, 142) 및 각각의 반쪽-셀 챔버(138, 134) 사이에서 재순환될 수 있다. 일부 실시예에서, 도금 산화전극과 도금 환원전극의 유체 순환은 전류가 인가될 때 연속적일 수 있다.
일부 실시예들에서, 도금 철은 환원전극 챔버(134) 및/또는 환원전극 기판으로부터 148에서 제거될 수 있고, 도금 전해질은 추가 용해 및 산 재생성 작동에 재사용하기 위해 용해 서브시스템(102)으로 재활용될 수 있다. 일부 실시예에서, 도금 공정은 원하는 양의 철이 배치 모드에서 도금된 때 완료될 수 있다. 다른 실시예들에서, 도금된 철은 도금 환원전극 챔버(134)로부터 연속적으로 제거될 수 있고, 반응물(예컨대, Fe2+)이 원하는 지점 이상으로 소비되면 전해질이 교체될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 도금 환원전극 반쪽-셀(134)은 도금된 철 물질의 제거를 허용하는 임의의 방식으로 철을 도금하도록 구성될 수 있다. 다양한 도금 및 금속 제거 방법이 다른 습식 야금 도금 작업에서 사용되며, 그 중 어느 것이라도 이 철 도금 시스템에서 사용하도록 조정될 수 있다.
환원전극 반쪽 셀로부터 철을 도금하고 제거하는, 선택된 방법에 따라 도금 셀은 원하는 양의 철이 도금된 후 철이 제거될 수 있도록 도금이 중단되는 배치 모드에서 작동될 수 있다. 또는 도금 셀은 환원전극 챔버에서 철이 연속적으로 제거되는 연속 모드에서 도금이 작동하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 연속적인 도금 철 제거는 일부 종래의 아연 및 구리 전기-제련 시스템에서 사용되는 구성과 유사할 수 있다.
예를 들어, 철은 고체 금속 또는 흑연 기판(예를 들어, 강철, 구리, 납, 아연, 니켈, 또는 이들 또는 다른 금속 또는 이들의 합금 중 하나 이상으로 코팅되거나 도금된 기타 물질) 상에 판 또는 시트로 도금될 수 있다.) 다양한 실시예에서, 도금 환원전극 전극 및/또는 기판(136)은 환원전극 챔버(134)로부터 제거 가능하거나, 또는 환원전극 전극(136) 또는 기판을 제거하지 않고 환원전극 챔버(134)로부터 철을 제거할 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판은 환원전극 전극으로부터 제거 가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 그러한 기판은 실질적으로 평평할 수 있고, 도금된 철은 기판으로부터 평평한 철판을 치핑(chipping), 들어올리기, 긁기, 구부리기 또는 다른 방식으로 분리함으로써 배치 모드에서 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 기판은 원통형일 수 있고, 도금 철은 도금 철을 연속 시트, 와이어, 스트립 또는 기타 재료로 분리하는 하나 이상의 나이프에 대해 실린더를 회전시킴으로써 연속적으로 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 철은 도금 셀 환원전극을 통과하는 연속 벨트 상에 도금될 수 있고, 철은 환원전극 챔버 외부의 위치에서 벨트로부터 분리될 수 있다. 다른 실시예에서, 철은 입자 성장 방식으로 크기가 증가할 수 있는 시드 입자 상에 도금될 수 있고, 입자는 임의의 적절한 분리 메커니즘에 의해 환원전극 챔버로부터 제거될 수 있다. 다양한 다른 철 도금 및 제거 공정도 사용될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 도금의 종료는 도금된 철의 질량, 도금 환원전극 내의 측정된 철 이온의 잔류 농도, 셀 전압, 또는 다른 메트릭 (metric)에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 도금 사이클은 약 1 mm 내지 약 10 mm 사이의 목표 두께에 도달할 때 완료될 수 있다.
도금 산화전극액 및 환원전극액에서 반응물이, 즉 철이, 실질적으로 고갈되면, 전해질은 다른 공정으로 향할 수 있다. 일부 실시예에서, 환원전극액은 초기보다 낮은 철 함량을 가질 수 있고, 산화전극액은 철 종 대신에 주로 철을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 사용된 산화전극액과 환원전극액은 결합되어 용해 탱크 또는 용해 서브시스템의 산 재생 셀(104)로 다시 향하여 새로운 용해 사이클에서 재사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도금하는 동안 도금 전해질에 적어도 최소 농도의 Fe2+ 이온을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 실험에 따르면, 도금 전해질 철 농도가 약 0.25 M 이하로 떨어지면, 도금 셀 효율 및 도금 품질이 저하되는 경향이 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 도금 공정 전반에 걸쳐 적어도 0.25 M 이상의 철 농도를 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
최소 ferrous 철 농도를 효과적으로 유지하고 전해질을 최적으로 사용하기 위해, 도금 서브시스템에 대한 산화전극액 및 환원전극액 부피를 설정하는 대안적인 접근법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도금 환원전극액에서 최소 ferrous 철 농도를 유지하기 위해 환원전극액 철 농도가 (광학, 분광학, 또는 다른 방법에 의해 측정된) 낮은 지점으로 떨어지면 또는 도금 셀 전압이 설정 포인트 이상 (예를 들어, 다양한 실시예에서 약 2.4V, 2.5V, 2.6V, 2.7V, 2.8V, 2.9V 또는 3V 이상)으로 상승하면 도금을 중단하는 것이 유리할 수 있다, 그리고 새로운 도금 공정에서 "소비된" 환원전극액을 산화전극액으로 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 13A는 압축 단부 플레이트(1302 및 1314); 집전 플레이트(1304, 1312); 도금 철이 확장될 수 있는 갭(1316)을 갖는 산화전극(1318) 및 환원전극 전극(1320)을 지지하는 전극 운반 플레이트(1306 및 1310);를 포함하는 실험적 도금 셀(1300)을 예시한다. 분리기(1308)는 산화전극-포함 챔버를 환원전극-포함 챔버로부터 분할한다.
도 5A 및 도 5B는 도금 완료 시 용해 서브시스템으로 반환될 ferric 철 풍부 용액을 생성하는 동안, 도금 환원전극액에서 적어도 최소한의 ferrous 철 농도를 유지시키는 것을 유리하게 촉진할 수 있는 도금 산화전극액 및 도금 환원전극액의 저장 및 사용을 위한 실시예를 예시한다. 도 5A는 용해 공정 (502)의 종료 후 (그리고 선택적으로 "보조 철" 단계를 수행한 후), 철 풍부 용액의 100%가 도금 환원전극액 탱크로 향하고, 도금 산화전극액 탱크는 블록 (510)에서 이전 도금 사이클로부터 "사용된" 환원전극액을 포함할 수 있는 공정(500)을 예시한다. 그 후 도금 공정이 수행되어 환원전극액으로부터 철을 도금하고 산화전극액에서 ferrous 철을 ferric 철로 산화시킬 수 있다. 도금 공정 (506)의 말미에, 사용된 산화전극액은 508에서 용해 서브시스템으로 반환될 수 있고, 사용된 환원전극액은 510에서 다음 도금 사이클을 위해 도금 산화전극액 탱크로 향할 수 있다. 다양한 실시예에서, "사용된 환원전극액을 산화전극액 탱크로 향하게 하는 것"은 사용된 환원전극액을 별도의 탱크로 실제로 이동하거나, 또는 제어 (예컨대, 밸브, 펌프 등)를 단지 변경하여 사용된 환원전극액을 포함하는 탱크를 새로운 산화전극액 탱크로 지정하는 것을 포함할 수 있다.
도 5B는 용해 사이클 (552)의 종료 후 (그리고 선택적으로 "보조 철" 단계를 수행한 후에), 용해 서브시스템으로부터의 철 풍부 용액이 554에서 대략 1/3의 환원전극액 및 2/3의 산화전극액 양으로 분할될 수 있고, 도금은 전술한 바와 같이 진행될 수 있는 대안적 공정 (550)을 도시한다. 도금 (556)의 끝에서, (주로 ferric 철을 포함하는) 사용된 도금 산화전극액은 558에서 용해 서브시스템의 산 재생기로 다시 향할 수 있고, 사용된 도금 환원전극액은 블록 (560)에서 용해 서브시스템의 용해 공정의 끝 부근의 헤마타이트 용해 단계로 향할 수 있다. 예를 들어 실시예에서, 산화전극과 환원전극은 함께 결합되고, 결합된 용액의 적어도 일부가 용해 서브시스템/산 재생 셀로 보내진다.
일부 실시예에서, 용해 서브시스템 및 도금 서브시스템 내의 전해질 및 용액은 용해된 철 종, 산 및 추가로 전해질 전도도를 향상시키기 위한 지지 전해질로서 작용하는 불활성 염을 포함할 수 있으며, 이는 낮은 ferrous 철 농도에서 특히 유리할 수 있다. 지지 염은 염화나트륨, 염화칼륨, 염화암모늄, 황산나트륨, 황산칼륨, 황산암모늄 또는 기타 염과 같은 전기화학적으로 불활성인 염 또는 염의 조합을 포함할 수 있다. 용액 내의 지지 염의 농도는, 사용되는 경우, 약 0.1 내지 약 1 M 범위일 수 있다.
다양한 실시예에서, 도금 셀의 ferrous 철 산화 산화전극은 탄소/흑연(graphite) 펠트, 종이, 또는 천과 같은 임의의 탄소, 또는 흑연 기반 전극, 또는 ferric 철/ferrous 철 염 환경에서 안정한 임의의 전극 물질일 수 있다. 도금 전극인 도금 셀의 환원전극은 시트, 플레이트, 메쉬 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 전기 도금에 적합한 임의의 전도성 기판일 수 있으며, 탄소, 흑연, 강철, 스테인리스강, 구리, 아연, 티타늄 또는 이들 또는 다른 재료의 합금 또는 기타 조합을 포함하는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 또한, 기판은 구조적 목적을 위해 한 유형의 재료(예: 금속)로 만들어진 코어와 도금 공정 및/또는 산 용액과의 호환성을 위해 다른 유형의 재료로 만들어진 표면을 갖는 다층 구조로 구성될 수 있다. 이러한 다층 구조의 예로는, 구리 피복 또는 알루미늄 피복 강철 또는 스테인리스 스틸, 구리 도금 강철 또는 스테인리스 스틸 또는 다른 다층 재료가 포함된다.
도 19는 산 재생 셀(104)에 대한 전류 밀도(mA/cm2로 측정됨)와 셀 전압 사이의 실험적으로 결정된 관계를 예시한다. 도 20은 철 도금 셀에 대한 전류 밀도(mA/cm2 로 측정됨)와 셀 전압 사이의 실험적으로 결정된 관계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 산 재생 셀은 훨씬 더 낮은 전류 밀도에서 도금 셀에 의해 달성된 셀 전압에 도달하기 전에 훨씬 더 높은 전류 밀도에서 작동될 수 있다. 산 재생 셀의 물 분해 반응은 일반적으로 더 비싼 촉매를 사용할 수 있으며, 이는 해당 셀의 자본 비용 증가로 이어질 수 있다. 이러한 요소는 더 비싼 셀에서 가치를 얻기 위해 더 높은 전류 밀도에서 산 재생 셀을 작동하는 것이 더 비용 효율적일 수 있음을 시사한다. 반면에 철 도금 반응은 원하는 특성을 가진 도금 철을 얻기 위해 상대적으로 낮은 전류 밀도에서 가장 잘 수행될 수 있다. 철 도금 셀은 일반적으로 더 저렴한 전극을 사용하기 때문에 더 낮은 전류 밀도에서 도금 셀을 작동하는 것이 더 경제적으로 실행 가능하다. 다양한 실시예에서, 도금 셀에 적용되는 전류 밀도는 약 20 ~ 300 mA/cm2의 범위일 수 있다.
다양한 실시예들에서, 도금 환원전극액 및 도금 산화전극액 탱크는 40 내지 80 ℃ 사이의 온도에서 유지될 수 있고, 도금 셀은 유사한 온도 범위에서 작동될 수 있다.
도면을 참조하여 이해할 수 있듯이, 공급 원료 용해 및 산 재생 단계를 철 도금(증착) 단계로부터 분리하는 것은, 두 공정이 근본적으로 전술한 1단계 철 전환 공정과 동일한 총 이론적 에너지를 소비하기 때문에, 이론적 비용이 거의 또는 전혀 들지 않으면서 상당한 이점을 제공한다. 이와 관련하여, 도금 산화전극 및 도금 환원전극 탱크로부터 용해 탱크를 분리하면, 두 공정의 상이한 반응 속도를 관리하는 데 추가적인 이점을 제공할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 철 도금 셀(들)은 약 20 mA/cm2내지 약 500 mA/cm2, 선택적으로 20 mA/cm2 내지 약 200 mA/cm2 및 선택적으로 20 mA/cm2 내지 약 100 mA/cm2사이의 전류 밀도에서 유리하게 동작할 수 있으며, 일부 실시예에서, 약 50 mA/cm2 내지 약 300 mA/cm2, 선택적으로 50 mA/cm2 내지 약 200 mA/cm2 및 선택적으로 50 mA/cm2 내지 약 100 mA/cm2 일 수 있으며, 일부 실시예에서, 약 75 mA/cm2 내지 약 250 mA/cm2, 선택적으로 75 mA/cm2 내지 약 200 mA/cm2 및 선택적으로 75 mA/cm2 내지 약 100 mA/cm2 사이일 수 있다. 실시예에서, 철 도금 셀(들)은 500 mA/cm2 이하, 선택적으로, 400 mA/cm2 이하, 선택적으로, 300 mA/cm2 이하, 선택적으로, 200 mA/cm2 이하, 100 mA/cm2 이하의 전류 밀도에서 동작할 수 있다. 일부 실시예에서, 도금 전류 밀도는 공정 조건 및/또는 전기의 가용성에 따라 도금 작동 중에 가변적일 수 있다.
용해를 돕기 위한 철 공급 원료의 전처리(Pre-treatment)
도 9는 일부 실시예에 따른 철 전환 시스템(100)의 매우 개략적인 개략도를 제공한다. 도 9의 도면은 전처리 섹션(920), 용해 섹션(908), 산 재생 섹션(910) (각각 전술한 바와 같음) 및 철이 제거될 수 있는 도금 섹션(130)을 포함하는 용해 서브시스템(102)을 나타낸다(922). 산소는 산 재생 섹션(910)으로부터 발생될 수 있고, 수소는 도금 섹션(130) 및/또는 산 재생 섹션(910)과 도금 섹션(130) 사이의 불순물 처리 섹션(918)으로부터 발생될 수 있다. 발생된 수소는 일부 전처리에 사용하기 위해 전처리 섹션(920)으로 반환될 수 있다. 전처리 섹션(920)과 용해 서브시스템(102) 사이의 추가 불순물 제거 단계 (예를 들어, 고체 불순물, 유기 불순물, 미용해 고체, 또는 기타 불순물 제거) (914 및 916)가 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 고에타이트 및 헤마타이트는 도금 중에 환원제가 H2 가스인 경우 선택적으로 마그네타이트에 열적 환원될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 불순물은 (예를 들어, 용해와 산 재생기(제1 전기화학 셀) 사이) 용해 서브시스템 및/또는 용해 서브시스템과 철 도금 서브시스템 사이와 같은 공정의 다양한 단계에서 제거될 수 있다.
예시된 바와 같이, 용해 서브시스템(102) 이전에, 철 공급원료 및 특히 일부 철광석은 용해를 용이하게 하기 위해 처리되거나 변형될 수 있다. 일부 실시예에서, 고에타이트 광석(902)은 헤마타이트 광석(904)으로 전환될 수 있고, 이는 마그네타이트 광석(906)으로 전환될 수 있다. 다른 실시예들에서, 광석의 일부분은 고에타이트 또는 헤마타이트 형태로 유지될 수 있다.
철 공급 원료 물질은 강철, 다른 금속 및 비금속과 혼합된 고철(또는 고철), 다양한 순도의 금속 철, 또는 철 산화물(수산화물 및 옥시하이드록사이드를 포함)을 포함하여 가능한 많은 형태 중 하나 이상의 철 또는 철 산화물을 포함할 수 있다.) 그러나 철 함유 광석에 일반적으로 존재하는 일부 산화철은 비교적 천천히 용해된다. 다음 단락은 철 함유 광석의 용해에 대한 개선과 관련이 있다.
다른 산화철은 다른 용해 동역학을 갖는다. 예를 들어, 마그네타이트(Fe3+ 및 Fe2+를 모두 포함하는 Fe3O4)는 헤마타이트(Fe2O3) 및 고에타이트(FeO(OH))와 같이 Fe3+만을 포함하는 산화물보다 훨씬 더 쉽게 용해된다. 예를 들어 헤마타이트과 마그네타이트의 용해 속도 차이는 무려 40배에 달할 수 있다. 상업적으로 이용 가능하고 경제적으로 실행 가능한 많은 철광석에는 다량의 헤마타이트 및/또는 고에타이트가 포함되어 있다. 본 명세서의 선택적 실시예에는 철 함유 광석의 헤마타이트 및/또는 지오타이트와 같은 철 산화물의 적어도 일부를 마그네타이트로 전환하여 더 빠른 용해의 이점을 얻는 것이 포함된다. 마그네타이트로 전환하면 산에 용해되기 전에 자성이 낮은 형태의 철에서 마그네타이트 함유 물질을 자기 분리할 수 있는 이점을 제공할 수도 있다. 특정 산화철을 마그네타이트로 전환하기 위해 원료 광석을 처리하는 것은 일부 응용분야에 유리할 수 있는 선택적 측면이나, 본원에 개시된 방법의 작동에 필수적인 것은 아니다.
다른 경우, 일부 헤마타이트 또는 고에타이트 광석을 공기 분위기에서도 충분한 온도로 가열하는 것만으로도 (즉, "에어 로스팅"), 특히 용해가 본원에 설명된 바와 같이 산 재생 셀(104)과 결합될 때, 허용 가능한 시간 (예를 들어, 약 24시간 +/- 6시간 정도) 내에 "로스팅된" 광석의 산 용해를 허용하기에 충분한 형태학적 변화가 광석 구조에 발생할 수 있음이 밝혀졌다. 경우에 따라, 심지어 완전히 미처리된 "원(raw)" 광석도 산 재생 셀(104)과 용해를 결합할 때 허용 가능한 시간 내에 용해될 수 있다.
도 21A, 도 21B 및 도 21C에 도시된 X-선 회절 패턴에 도시된 바와 같이, 지오타이트는 약 200 ℃ 내지 600 ℃ 사이의 온도에서 공기 중에서 로스팅함으로써 헤마타이트로 전환될 수 있고, 헤마타이트는 300 ℃ 내지 600 ℃ 사이의 온도에서 수소에서 마그네타이트로 열적으로 환원될 수 있다.
다양한 실시예에서, "에어 로스팅"은 약 1분 내지 약 1시간의 기간 동안 약 200°C 내지 600°C 사이의 온도로 공기 분위기에서 광석을 가열함으로써 수행될 수 있다. 일부 특정 실시예에서, 에어 로스팅은 광석을 약 200°C 내지 약 400°C의 온도로 가열하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 광석의 에어 로스팅은 시작 온도 (예컨대, 대기 온도 또는 실온)에서 목표 온도에 도달하기 위한 램프-업 (ramp-up) 시간을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 에어 로스팅의 시간 지속은 광석 재료가 제 1 목표 온도에 도달할 때 시작될 수 있다.
다양한 실시예에서, "열적 환원"은 필요한 환원 정도 및 환원될 물질의 형태에 따라, 약 1분 내지 약 5시간의 기간 동안 약 300°C 내지 600°C 사이의 온도로 환원 분위기에서 광석을 가열함으로써 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 환원 분위기는 질소, 아르곤 또는 다른 불활성 가스와 같은 불활성 가스의 균형과 함께 약 1% 내지 약 10%의 수소 가스 (또는 다른 환원 가스)의 가스 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는, 수소 함량이 훨씬 더 높은 (심지어 100% H2에 가까운) 가스 혼합물이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 열적 환원 분위기는 또한 약 5% 내지 약 10%의 수증기를 포함하도록 가습될 수 있다.
일부 특정 실시예에서, 열적 환원은 광석을 약 300°C 내지 약 500°C의 온도, 일부 특정 실시예에서 약 375°C, 400°C, 425°C, 450°C, 500°C, 525°C, 550°C 또는 그 이상의 온도에서 유지하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 광석을 열적 환원할 때, 광석은 목표 온도에 도달할 때까지의 램프-업 시간 동안 공기(또는 다른 비환원) 대기에 노출될 수 있는데, 이는 목표 온도에 도달하기 전에 비효율적일 수 있는 수소 가스를 보존하기 위한 것이다. 일부 실시예에서, 열적 환원의 시간 지속은 광석 물질이 제 1 목표 온도에 도달할 때 시작될 수 있다.
일부 실시예에서, 철 금속으로의 완전한 환원 전에 철 광석의 열적 환원을 중단하는 것이 바람직할 수 있는데, 예를 들어, 광석을 제거하거나, 온도를 낮추거나, 철 금속으로의 환원을 방지하기 위해 충분한 습도 레벨을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 실시예에서, 광석의 일부가 용해 단계로 진행하기 전에 철 금속으로 환원되도록 허용될 수 있다.
헤마타이트는 수소, 일산화탄소, 합성 가스 등과 같은 환원제를 사용하여 마그네타이트로 환원될 수 있다. 이는 다양한 목적으로, 특히 자기 분리를 이용한 철 선광을 위해 수행될 수 있다. 전기 도금과 같은 철 제조 공정은 선택적으로 부반응(예: 기생 반응 또는 철 도금 중)으로서 또는 중간 공정 단계(예: 본 명세서에 설명된 "보조 철 처리" 단계)의 직접적인 결과로서 수소와 같은 환원제를 생성하는 것을 포함할 수 있는 것으로 본 명세서에서 고려된다.
기생 또는 부수적 반응에 의해 생성된 수소와 같은 환원제는 낭비되는 대신에 포집되어 광석 내의 헤마타이트 및 고에타이트와 같은 철 산화물을 마그네타이트로 환원시키는 데 사용될 수 있다. 결과적으로, 다른 공정 (예를 들어, 전기 도금 또는 다른 공정으로부터의 수소)에서 부산물로서 환원제를 생성함으로써 "낭비되는" 에너지의 일부를 회수할 수 있고, 동시에 환원된 광석은 훨씬 더 용해되기 쉬워진다.
일반적으로, 특정 실시예에 따르면, 환원제(예컨대, H2)의 적어도 일부분은 철을 제조하는 공정의 임의의 부분, 단계 또는 반응의 산물일 수 있다.
특정 실시예에 따르면, 환원제(예컨대, H2)는 철 전기 도금 공정 또는 전기 화학 셀의 전기 도금 공정 이전 및/또는 외부에서 생성될 수 있다. 예를 들어, pH가 낮은 경우(예를 들어, 전기 도금 셀로 전달되는 입력 스트림에 너무 많은 잔류 산이 있는 경우), 전기 도금 공정 중에 H2 생성이 발생할 수 있으며, 그 결과 전기 도금의 페러데이 효율이 감소하여 철 전기 도금과 동시에 H2를 생성하는 부반응(또는, 기생 반응)을 허용할 수 있다. 따라서, 도금이 시작되면 pH가 약 2(또는 사용되는 산 화학에 따라 다른 값)로 증가될 때까지 상당한 양의 H2가 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 도금 셀 또는 유사하게 구성된 연마 셀은 그러한 작업 동안 생성된 수소 가스의 수집 및 저장을 허용하도록 구성될 수 있다.
특정 실시예에 따르면, 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 산에서의 철 용해를 개선하기 위한 해결책으로서 상기한 접근법의 조합을 포함할 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 본 명세서에 개시된 방법은 철 함유 광석에서 비마그네타이트 광석 또는 비마그네타이트 산화철 화합물을 마그네타이트으로 전환하여 용해 동역학을 향상시키기 위한 제철 공정에서 부반응(예컨대, 수소)의 생성물 또는 부산물을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 본 명세서에 개시된 방법은 (i) 산화철(예를 들어, 산화물 광석)을 마그네타이트로 환원하는 것과 (ii) 산을 사용하여 생성된 물질(마그네타이트)을 용해하는 것의 조합을 포함할 수 있다.
특정 실시예에 따르면, 본 명세서에 개시된 방법은 철 함유 광석 (예를 들어, 광석, 철광석, 암석, 퇴적물, 광물)인 출발 물질을 포함할 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 본원에 개시된 방법은 전체 제철 공정에서 다른 반응 단계의 부산물인 (비마그네타이트 산화철을 마그네타이트로 변환하기 위한) 환원제를 포함할 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 본원에 개시된 방법은 (예를 들어, 전체 제철 공정의 부산물로부터의) 내부 소스(공급원)와 수소 저장소, 수소 가스를 제공하는 천연 가스 개질 시스템 또는 물 전기분해기를 포함하는 외부 소스의 조합으로부터의 (비마그네타이트 산화철을 마그네타이트로 변환하기 위한) 환원제 생성을 포함할 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 본원에 개시된 방법은 수소, 일산화탄소, 천연 가스, 합성 가스 또는 이들의 조합인 (비마그네타이트 산화철을 마그네타이트로 변환하기 위한) 환원제를 포함할 수 있다. 특정 실시예에 따르면, 본 명세서에 개시된 방법은 전기 화학 도금 반응의 부산물을 사용하여 다른 반응을 구동하는 것 (예: 수소 부산물을 사용하여 산화철을 환원하는 것)을 포함할 수 있다. 부산물은 도금 셀에서 직접 생성될 수도 있고, 유사한 수소 가스의 순 생산량을 갖는 별도의 반응기에서 도금 셀 이전에 생성될 수도 있다.
특정 실시예에 따르면, 본 명세서에는 하나 이상의 비마그네타이트 산화철 물질을 갖는 철 함유 철광석을 용해하는 방법이 포함되며, 이 방법은 200°C 내지 600°C 사이의 온도에서 철광석을 환원제에 노출시키고, 광석 내의 철 산화물의 적어도 일부를 마그네타이트로 전환시켜서 가공된 광석을 형성하고, 가공된 광석을 산을 사용하여 용해시켜 철염 용액을 형성하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 환원제는 철 제조 공정에서 다른 반응의 부산물이다.
다양한 실시예에서, 본원의 시스템 및 방법은 허용 가능한 시간 기간 (예를 들어, 약 24시간 또는 30분 이내) 내에 원하는 목표 용존 철 농도를 달성하기 위해 상이하게 처리된 철 함유 광석 물질의 양을 용해하도록 구성될 수 있다. 전반적으로, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 산화철의 용해는 ferrous 철 이온이 존재하고 산 재생기에 의해 생성된 충분한 산이 존재할 때 실질적으로 개선되는 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고, 헤마타이트을 마그네타이트로 환원하는 것은 어떤 환경에서도 용해 속도 및 완전성이 상당히 개선되는 것으로 나타났다.
도 10에 도시된 바와 같이, 용해 서브시스템(1000)은 복수의 광석 함유 용해 탱크(1010, 1012, 1014) (또는 다른 실시예에서는 더 많거나 더 적음)에 결합된 산 재생기(104)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 각 탱크는 상이하게 처리된 광석 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 탱크(1010)는 열적으로 사전 처리되지 않은 "원" 광석을 포함할 수 있다. 이러한 원광석은 고에타이트 및/또는 다른 광석 유형을 포함할 수 있다. 제2 탱크(1012)는 전술한 바와 같이 "로스팅"(예를 들어, 에어 로스팅)된 광석을 포함할 수 있고, 헤마타이트 및/또는 다른 광석 유형을 포함할 수 있다. 제3 탱크(1014)는 전술한 바와 같이 열적 환원된 광석을 포함할 수 있고, 상당한 양의 마그네타이트 및/또는 다른 광석 유형을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 및 (과량의 황산에서 상이하게 처리된 광석에 대한 용해 시간을 나타내는) 도 7C에 도시된 바와 같이, 환원 광석은 매우 빠르게 용해되어 수 시간 내에 완전 용해에 도달하고, 용해 속도가 용액 내의 온도 및/또는 철 이온의 양을 증가시킴으로써 다소 증가할 수 있지만, 로스팅된 광석은 훨씬 더 느리게 용해한다. 예시되지는 않았지만, 원광석은 로스팅된 광석보다 더 느리게 용해되는 것으로 나타났다.
이와 관련하여, 도 7B에서, 트레이스(trace) 708은 0.1 M 황산에서의 마그네타이트의 용해를 예시하며, 이는 0.1 M 황산 706에서의 헤마타이트, 0.3 M 황산 704에서의 헤마타이트 및 0.5 M 황산 702에서의 헤마타이트의 용해와 비교된다.
도 10의 시스템은 산 재생기(104)로부터 산-증가(enhanced) 용해 용액을 하나 이상의 용해 탱크(1010, 1012, 1014)로 선택적으로 유도하기 위해 적용될 수 있는 몇 가지 가능한 공정을 예시한다. 설명의 목적을 위해, 산 재생기(104)와 하나 이상의 탱크(1010, 1012, 1014) 사이에서 산 용액이 10 사이클 동안 재순환되는 공정이 설명될 것이고, 여기서 각 사이클은 산 재생기(104)의 출구에서 시작된다. 이 실시예에서는 10개의 사이클이 설명되지만, 특정 구현의 다양한 세부 사항에 따라 임의의 수의 사이클이 사용될 수 있다. 다른 경우, "사이클"은 용액이 각 광석 유형과 접촉하는 상대적인 기간을 단순히 나타낼 수 있으며, 탱크, 유체 도관, 밸브 등의 다른 배열이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유체가 향하는 곳을 변경하는 대신에, 단일 용해 탱크의 고체 내용물은 대략 아래 예에 설명된 사이클 수에 상응하는 다양한 시간 동안 변경될 수 있다.
10 사이클의 첫 번째 그룹 동안, 산 용액은 밸브(1030)를 개방하여 원광석 탱크(1010)로 향하게 할 수 있다. 원광석 탱크(1010)를 빠져나가는 산 용액은 밸브(1022)를 개방하여 산 재생 셀(104)로 복귀될 수 있다. 10 사이클의 두 번째 그룹 동안, 산 용액은 밸브(1032)를 개방하여 로스팅된 광석 탱크(1012)로 향하게 할 수 있다. 로스팅된 광석 탱크(1012)를 빠져나가는 산 용액은 밸브(1024)를 개방하여 산 재생 셀(104)로 복귀될 수 있다. 일부 실시예에서, 10 사이클의 세 번째 그룹 동안, 산 용액은 밸브(1034)를 개방하여 환원 광석 탱크(1014)로 향하게 할 수 있다. 로스팅된 광석 탱크(1014)를 빠져나가는 산 용액은 밸브(1026)를 개방하여 산 재생 셀(104)로 복귀되거나, 밸브(1028)를 개방하여 대신 (또는 추가로) (예컨대, 불순물 제거, 보조 철 처리, 도금 등) 다운스트림 공정(1016)으로 향할 수 있다.
따라서, 각 용해 탱크를 통과하는 "사이클"의 수를 변경함으로써, 산 용액은 상이한 시간 동안 상이한 처리된 광석과 접촉될 수 있다. 다양한 예들에서, 산 용액은 0 내지 9 사이클 동안 원광석(1010)과 접촉될 수 있고, 0 내지 9 사이클 동안 로스팅된 광석(1012)과 접촉될 수 있고, 1 내지 10 사이클 동안 환원된 광석(1014)과 접촉될 수 있다. 산 용액을 다운스트림 공정 단계(1016)로 보내기 전에 적어도 최종 사이클 동안 환원 광석(1014)과 산 용액을 접촉시키는 것이 일반적으로 바람직하다. 환원 광석의 용해가 비교적 빠르게 진행되기 때문에, 환원 광석으로 용해 공정을 마무리하는 것은 잔류 산의 일부를 소비하는 역할을 하며, 본원 다른 곳에서 설명된 바와 같이 다운스트림 단계를 더욱 단순화한다.
아래 표 1의 사이클(또는 비례 체류 시간)의 조합 중 임의의 조합이 사용될 수 있다:
[표 1] 다양하게-처리된 철 광석의 용해 옵션
각 광석 처리 유형에서 산 "사이클"의 수
| 원 | 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 |
| 로스팅된 | 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 |
| 환원된 | 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 |
일부 측면들에서, 방법은 철 공급 원료를 산에 용해; 전기 화학 셀의 환원전극에서 ferric 철 용액으로부터 금속 철을 전기 도금하는 동안 또는 처리 단계 동안 전기 화학 셀의 산화전극에서 물로부터 산소 가스를 발생시키면서 금속 철을 생산, 및 전기 화학 셀의 환원전극에서 부반응으로 수소 발생, 수소 수집, 수소를 반응 챔버로 이동, 및 반응 챔버에서 철 공급 원료를 수소와 열적으로 환원; 을 포함할 수 있다.
일부 측면들에서, 방법은 용해 탱크 내 수성 산 용액에 철 공급 원료를 용해; 용해 탱크로부터 산 재생 셀로 용액을 순환; 산 재생 셀의 산화전극에서 물로부터 산소를 발생시키는 동안, 산 재생 셀의 환원전극에서 용액 내의 ferric 철 이온을 ferrous 철 이온으로 변환; 용액의 제1 부분 (산화전극액)을 철 도금 시스템의 산화전극액 탱크로 이동; 용액의 제2 부분 (환원전극액)을 철 도금 시스템의 환원전극액 탱크로 이동으로, 이는 선택적으로 불순물 제거 및 H2 생성을 위한 처리 단계를 포함하는 이동; 그들의 각각의 탱크와 철 도금 셀 사이에서 산화전극액과 환원전극액을 순환; 도금 셀의 환원전극의 환원전극액에서 ferrous 철로부터 금속 철을 전기 도금하는 동안 및 전기 도금 동안 환원전극에서 기생 수소를 발생(evolving)시키는 동안 도금 셀의 산화전극의 산화전극액에서 ferrous 철을 ferric 철로 산화, 및/또는 선택적으로 처리 단계에서 생성된 H2를 사용하여 불순물을 제거하고 H2를 생성; 수소 수집 및 반응 챔버로 수소 이동, 및 반응 챔버에 있는 철 공급 원료를 수소로 열적 환원;을 포함할 수 있다.
일부 측면들에서, 방법은 수성 산성 용액을 금속 철과 혼합하여 수소 생성, 수소 수집, 수소를 반응 챔버로 이동, 및 반응 챔버 내의 철 공급 원료를 수소로 열적 환원;을 포함할 수 있다.
일부 측면들에서, 방법은 수성 산성 ferrous 철 용액을 금속 철과 혼합; 잔류 산과 금속 철의 반응으로부터 수소 생성, 수소 수집, 수소를 반응 챔버로 이송, 및 반응 챔버 내의 철 공급 원료를 수소와 함께 열적 환원 동안, 수성 산성 ferrous 철 용액 내의 잔류 ferric 철 이온을 ferrous 철 이온으로 변환;을 포함할 수 있다.
일부 측면에서, 본원에 개시된 실시예는 산성 용액에 산화철 물질을 용해시키는 방법으로 상기 방법은 하기를 포함한다: 산화철 물질을 포함하는 공급원료를 제공; 용해 탱크를 제공; 환원전극, 막 및 산화전극을 갖는 전기 화학 셀을 제공; 산 용액에서 사용하여 용해 탱크에서 공급원료를 용해로, 여기서 상기 용해는 산 용액 내로 Fe3+ 를 방출하는 것인 용해; Fe3+를 Fe2+로 전기화학적 환원하기 위해 산 용액을 용해 탱크와 전기화학적 셀의 환원전극 사이에서 순환, 동시에 양성자를 생성; 여기서, 상기 순환 단계는 더 많은 산화철 물질을 용해시키기 위해 산 및 Fe2+ 이온을 포함하는 환원된 및 산성화된 용액을 용해 탱크로 되돌리는 것을 포함한다.
예시: 광석 전처리 및 용해
본 실시예는 철 함유 광석에서 마그네타이트의 함량을 증가시키기 위한 광석 처리 방법의 특정 예시적 및 선택적 실시예를 제공한다. 특정 산화철을 마그네타이트로 전환하기 위한 공급 원료 광석의 가공은 일부 응용분야에 유리할 수 있는 선택적 측면이지만, 고순도 철을 생산하기 위한 본원에 개시된 방법의 작동에 필수적인 것은 아니다.
일 양상에서, 하나 이상의 비마그네타이트 산화철 물질을 갖는 철 함유 광석 가공 방법은 다음을 포함한다:
가공된 광석을 형성하기 위해 철-함유 광석을 가공으로, 상기 가공 단계는 다음을 포함한다:
하나 이상의 비마그네타이트 산화철 물질의 적어도 일부를 마그네타이트으로 변환하여 가공된 광석을 형성하기 위해, 철 함유 광석의 하나 이상의 비마그네타이트 산화철 물질을 200°C~600°C 범위에서 선택된 온도에서 환원제에 노출; 및
철-염 용액 형성을 위해 산성 용액을 사용하여 마그네타이트의 적어도 일부를 용해; 여기서 환원제는 적어도 부분적으로: 전기 화학 공정, 철 제조 공정, 철을 시약(reagent)으로 포함하는 화학 반응, 및/또는 금속과 산 사이의 화학 반응의 산물이다.
선택적으로, 철-함유 광석 가공 방법에서, 환원제의 적어도 일부가 철 제조 공정의 전기 화학적 및/또는 화학적 반응의 산물이다. 선택적으로 철 함유 광석 처리 방법에서, 환원제의 적어도 일부는 철 전기 도금 공정의 생성물이다. 선택적으로, 철 함유 광석 가공 방법에서, 환원제의 적어도 일부는 전기 화학적 생성된 H2이다. 선택적으로, 철 함유 광석 가공 방법에서, 환원제의 적어도 일부가 화학적 생성된 H2이다. 선택적으로, 철 함유 광석 가공 방법에서, 환원제의 적어도 일부가 물 전기 분해를 통해 생성된 H2이다. 선택적으로, 철 함유 광석 가공 방법에서, 환원제의 적어도 일부는 철과 같은 금속과 산 사이의 반응으로 생성된 H2이다. 선택적으로 철 함유 광석 가공 방법에서, 환원제의 적어도 일부는 H2 이며, 전기 화학적 생성된 H2와 금속과 산 사이의 화학 반응의 생성물의 조합이다.
환원제는 철 함유 광석 가공 방법의 일부인 공정으로부터 및/또는 별도의 방법으로부터 공급될 수 있다. 철 함유 광석을 처리하는 방법에서 선택적으로, 그 방법은 철 제조 공정을 포함한다. 선택적으로, 철 함유 광석 가공 방법에서, 방법은 철 금속을 전기 도금, 상기 전기 도금 단계에서 생성된 환원제 수집, 가공 단계에 환원제 제공을 포함한다. 철 함유 광석 가공 방법에서 선택적으로, 방법은 전기 화학 공정, 철 제조 공정, 시약으로서 철을 포함하는 화학 반응 및/또는 금속과 산 사이 화학 반응을 포함한다. 철 함유 광석 가공 방법에서 선택적으로, 방법은 전기 화학적 생성된 H2 제조 공정을 포함한다. 철 함유 광석 가공 방법에서 선택적으로, 방법은 철과 같은 금속과 산 사이의 반응을 통한 H2 제조 공정을 포함한다.
철 함유 광석 가공 방법에서 선택적으로, 환원제는 H2, CO, 천연 가스, 합성 가스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
철 함유 광석 가공 방법에서 선택적으로, 방법은 처리 및 용해 단계 사이에서 처리된 광석으로부터 마그네타이트의 적어도 일부분을 추출하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 비마그네타이트 철 산화물의 마그네타이트로의 전환은 노출 단계를 먼저 수행한 후에 불완전할 수 있고, 그 결과 전환되지 않은 비마그네타이트 철 산화물이 일정량 존재할 수 있으며, 이러한 비마그네타이트 철 산화물은 추가로 처리될 수 있다. 철 함유 광석 가공 방법에서 선택적으로, 처리된 광석은 전환되지 않은 비마그네타이트 산화철 물질을 포함하며; 여기서, 방법은 하기 단계를 더 포함한다:
처리된 광석의 마그네타이트로부터 전환되지 않은 비마그네타이트 산화철 물질의 적어도 일부를 분리; 및 분리된 전환되지 않은 비마그네타이트 산화철 물질을 마그네타이트로 전환하기 위해 처리 단계로 다시 재활용.
철 함유 광석 가공 방법에서 선택적으로, 용해 단계는,
처리된 광석을 산성 용액에 노출로, 노출된 처리된 광석의 적어도 일부가 산성 용액에 용해되지 않으며, 처리된 광석의 용해되지 않는 부분이 전환되지 않은 비마그네타이트 산화철 물질을 포함하는, 노출. 및
상기 방법은 추가적으로 하기를 포함한다:
전환되지 않은 비마그네타이트 산화철 물질을 마그네타이트에 전환하기 위해 비마그네타이트 산화철 물질을 다시 가공 단계로 재활용.
철 함유 광석 가공 방법에서 선택적으로, 하나 이상의 비마그네타이트 산화철 물질은 헤마타이트 및/또는 고에타이트를 포함한다.
철 함유 광석 가공 방법에서 선택적으로, (마그네타이트의 적어도 부분을 용해하기 위한) 산성 용액은 염산, 황산, 질산, 인산, 아세트산, 구연산, 옥살산, 붕산 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
철 함유 광석 가공 방법에서 선택적으로, 철-염 용액은 수성 Fe2+ 및/또는 Fe3+ 이온을 포함한다.
또 다른 양상에서, 하나 이상의 비마그네타이트 산화철 물질을 갖는 철 함유 광석 가공 방법은 다음을 포함한다: 가공된 광석 형성을 위해 철 함유 광석을 가공으로, 상기 가공 단계는 다음을 포함한다: 하나 이상의 비마그네타이트 철산화물 물질의 적어도 일부를 마그네타이트으로 변환 및 이로 인해 가공 광석을 형성하기 위해, 철 함유 광석의 하나 이상의 비마그네타이트 산화철 물질을 200°C~600°C 범위에서 선택된 온도에서 환원제에 노출; 및 철-염 용액 형성을 위해 산성 용액을 사용하여 마그네타이트의 적어도 일부를 용해.
용해-증가(enhancing) 첨가제 재료
황산염과 염화물의 혼합 용액은, 예를 들어 황산과 염산의 혼합물을 사용함으로써, 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 혼합물은 염화물 염을 황산 용액에 혼합하거나, 황산염 염을 염산 용액에 혼합함으로써 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 산 혼합물을 사용하여 철광석 재료를 용해시킬 수 있다.
산 화학 선택
다양한 실시예에서, 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 철 공급 원료 물질의 용해 및/또는 철 도금에 사용되는 철 용액의 기초로서 임의의 산과 함께 사용될 수 있다. 적합한 산은 염산, 황산, 인산, 질산, 아세트산, 옥살산, 구연산, 붕산, 메탄설폰산 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않는다. 본 설명 및 첨부된 도면을 참조하여 이해되는 바와 같이, 산성 화학 물질의 선택은 다양한 장점과 장단점을 제공할 수 있다. 특정 산성 화학 물질의 선택은 이들 또는 기타 기술적 및/또는 경제적 요인에 기초할 수 있다. 다양한 선택 고려 사항은 표 2에 나와 있다.
[표 2] 산 화학 선택 근거
| 메트릭 (Metric) | 선호되는 선택 | 근거 |
| 안전 | 황산 | 황산은 적은 부식성을 가진다. 황산은 고전적 전기 제련에 자주 사용된다. |
| 용해 | 염산 | 용해율은 염산 >> 황산이다. 일부 광석은 황산에서 6M 및 60C로 최소화된 용해를 가지나, 광석은 염산에서 1M 및 60C까지 쉽게 용해된다. |
| 산화전극 안정성 | 황산 | 산은 산화전극에서 pH~2가 되는 산 재생기에서 PEM을 가로질러 유출된다. 이러한 조건 하 산소 발생 산화전극의 수명 및 안정성은 염산보다 황산에서 훨씬 더 우수하다. 또한, 고전적인 전기 주조는 > 5년 수명을 가진 납 산화전극을 사용하여 pH < 0 의 황산에서 수행된다. |
| 불순물 관리 | 황산 | 광석 용해와 유사하게, 불순물 역시 염산보다 황산에서 훨씬 낮은 용해도를 갖는다. |
| 자본적 지출 (Capex) | 황산 | 염산의 증기압 >> 황산의 증기압. 이는 염산을 사용할 때 완전히 밀봉된 스택(stack)을 필요로 한다. |
일부 실시예에서, 산 재생 셀 (산화전극액 및/또는 환원전극엑) 또는 도금 셀(산화전극액 및/또는 환원전극액)에 사용되는 전해질 또는 산 용액은 본 명세서에 기술된 산 및 용해된 종 이외에 지지 염 또는 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질 용액 중 임의의 용액 내의 지지 염은 황산나트륨, 황산칼륨, 황산암모늄, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화암모늄 또는 기타, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 도금 셀 환원전극액은 도금 효율을 개선하도록 구성된 하나 이상의 첨가제, 예를 들어 구연산, 붕산 및/또는 Hopax EN 16-80, EA 15-90 및 전기 도금 산업에서 사용되는 전형적인 첨가제와 같은 저-발포 비이온성 계면활성제를 포함하는 계면활성제를 포함하는 pH 완충용 약산을 포함할 수 있다.
전체 공정 예시
도 4, 도 6 및 도 9는 본원에 설명된 바와 같은 철 전환 공정의 예들에 대한 다양한 개략도를 제공한다.
도 11은 다양한 선택적 중간 단계를 포함하는, 공정 용액 재활용 동안 철 공급 원료를 순수한 철로 변환하기 위한 완전한 공정 (1100)의 예를 도시한다. 1102에서, 공정(1100)은 선택적으로 공급 원료 물질을 원하는 입자 크기로 분쇄(그라인딩, grinding) 을 포함할 수 있다. 1104에서, 공정은 에어 로스팅; 및/또는 (예를 들어, 공정(1100)의 하나 이상의 공정 단계에서 생성된 수소를 포함하는) 수소의 존재 하 철 공급 원료 물질을 열적 환원;을 포함할 수 있는 열 처리를 포함할 수 있다. 공급 원료가 이러한 가공 없이 직접 용해에 적합한 경우, 열 처리 단계(1104)는 선택적으로 생략될 수 있다. 1106에서, 공급 원료는 산 재생기에 연결된 용해 탱크에 첨가될 수 있다. 1108에서, 공급 원료는 산 재생기에 의해 생성된 산 및 철 용액과 함께 용해 탱크에서 용해될 수 있다. 철 농도가 원하는 값에 도달한 후, pH를 증가시키고 1110에서 어떠한 잔류 ferric 철을 ferrous 철로 추가 전환하기 위해 용해 탱크 내의 현재(now)-ferrous 철 용액을 철(iron)로 처리 (예를 들어, 본원 다른 곳에서 설명하는 "보조 철" 처리)될 수 있다. 1112에서, ferrous 철 용액은 도금 셀과 연관된 환원전극액 및 산화전극액 탱크로 이동될 수 있다. 1114에서, 도금 셀은 산화전극액에서 ferric 철 생산 동안 금속 철을 도금하기 위해 작동될 수 있다. 1115에서, 증착된 금속 철은 예를 들어 환원전극 전극을 제거함으로써 셀로부터 제거될 수 있다. 1116에서, 철 도금 산화전극액 용액은 도금 시스템으로부터 산 재생기 시스템의 용해 탱크로 반환될 수 있으며, 여기서, 후속 사이클(1106)에서 공급 원료가 용해 탱크에 첨가되기 전에 적어도 일부 ferrous 철을 생산하도록 이는 재활용될 수 있다. 일부 실시예에서, 1120에서 지지 염이 선택적으로 전해질에 첨가될 수 있다. 대안적으로, 지지 염은 공정의 임의의 다른 시점에서 (예를 들어, 전해질로 또는 공급 원료와 함께) 전해질에 첨가될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어 공정에서 소비되지 않을 수 있기 때문에 (또는 상당히 소비될 수 있기 때문에), 지지 염은 모든 사이클에서 첨가되지 않는다.
일부 측면들에서, 본원에 개시된 실시예들은 다음을 포함한다:
산화철 공급 원료로부터 고순도 철을 생산하는 방법으로, 상기 방법은 두 가지 서브시스템을 포함한다.
용해 탱크를 제공; 환원전극, 막 및 산화전극을 갖는 제1 전기화학적 셀 (예를 들어, 산 재생성 셀)을 제공; 산 용액에서 용해 탱크에서 공급 원료를 용해로, 상기 용해 반응은 양성자 소비 동안 용액으로 Fe3+를 방출하는 용해; 및 Fe3+를 Fe2+로 변환시키기 위해 제1 전기화학적 셀의 환원전극으로 용액을 순환함으로써 ferrous 염을 포함하는 용액 ("ferrous 이동 용액")을 형성하도록 및 양성자를 동시에 생성하도록 구성된 용해 서브시스템으로,
상기 순환 단계는 더 많은 산화철 물질을 용해시키기 위해 산 및 Fe2+ 이온을 포함하는 환원 및 산성화된 용액을 용해 탱크로 반환을 포함하고;
추가적으로 상기 용해 서브 시스템에서 생성된 ferrous 용액으로부터 금속 철을 생산하도록 구성된 철 도금 서브 시스템을 더 포함하며 이는:
도금 산화전극액 및 도금 환원전극액을 위한 두 개의 분리된 탱크에 저장하기 위하여 용해 서브 시스템의 용해 탱크로부터의 ferrous 용액을 두 개의 스트림으로 분할;
제 2 전기 화학적 셀(예를 들어, 도금 셀)을 제공;
환원전극액 탱크로부터 제2 전기 화학적 셀의 환원전극으로 용액을 순환, 및 산화전극액 탱크의 산화전극액을 제2 전기 화학 셀의 산화전극으로 순환,
동시에 제2 전기 화학 셀의 산화전극에서 Fe2+ 이온을 Fe3+로 산화시키는 동안 Fe2+ 이온을 제2 전기 화학 셀의 환원전극에서 도금된 고체 철 금속으로 환원; 도금된 철 금속을 제거; 및
Fe3+ 이온을 갖는 ferric 용액을 용해 탱크 또는 용해 서브시스템의 산 재생 셀로 반환함으로써 이루어진다.
일부 추가적인 양상들에서, 도금 셀의 환원전극 및 산화전극 측으로부터의 환원전극액 및 산화전극액 용액은 선택적으로 결합되어 용해 서브시스템으로 다시 반환되는 반환 ferric 용액을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 산 재생 셀은 용해 탱크에 고체 공급 원료 추가 전에 하나 이상의 사이클 동안 작동될 수 있으며, 이에 따라 고체 공급 원료 물질의 용해를 시작하기에 충분한 산 및 ferrous (Fe2+) 용액의 생성을 허용한다.
도 18은 본원에 기술된 철 생산 방법 및 시스템의 측면을 수행하도록 구성된 화학 공정 및 화학 플랜트의 특정 실시예를 개략적으로 도시한다. 예를 들어, "산 재생기 + Fe3 환원기"는 본원에 기술된 용해 서브시스템의 특정 측면에 대응한다. 예를 들어, "Fe 전기 도금"은 본원에 기술된 철 도금 서브시스템의 특정 측면에 해당한다. 본 개략도는 용해 서브시스템과 철 도금 서브시스템 사이의 입력, 출력 및 통신의 다양한 실시예를 나타낸 도식이다. 도 18은 또한 (수집된 산소와 재결합하여 물을 형성하는) 시스템에서 수집된 수소의 대체 용도를 포함하여, 산 재생기 환원전극액으로부터 산 재생기 산화전극액으로 물을 이동하기 위한 물 관리 시스템의 일 실시예를 도시한다. 도 18의 시스템은 또한 도금 시스템에서 염화나트륨 지지 염을 사용하는 한 가지 예를 보여준다.
수성 전기 성형된 철의 산업 및 시장 용도
다양한 실시예들에서, 본원에 기술된 시스템, 방법 및 공정에 의해 전해질적으로 생산된 철은 다른 철 공급원에 대해 일반적으로 경제적으로 실행 가능하지 않은 많은 상업적 목적에 사용될 수 있다.
산 재생 셀, 도금 셀 및 기타 지원 시스템은 다양한 전력 가용성에 대응하여 더 높거나 더 낮은 전력으로 일반적으로 구동될 수 있기에, 본원에 기술된 다양한 실시예들은 시간에 따라 가용 전력에서 변동될 수 있는 간헐적 (예컨대, 재생 가능한) 에너지원과 특히 호환된다. 따라서, 일부 실시예에서, 산 재생 셀, 도금 셀 또는 다른 시스템 구성요소에 공급되는 전류는 (예를 들어, 스마트 그리드 또는 수요 반응 통신 시스템 또는 프로토콜을 통해) 측정되거나 통신된 가용 전력 또는 사용 가능한 전력의 감소 또는 증가에 대응하여 변화될 수 있다. 이러한 전류 (또는 전력) 증가 또는 감소는 일반적으로 본 명세서에 기술된 전류 밀도의 범위 내에서 이루어질 수 있지만, 일부 실시예에서는 하나 이상의 셀, 스택, 서브시스템 또는 전체 시스템에 대한 모든 전력을 선택적으로 차단하는 것을 포함하여 이러한 범위 밖에서 이루어질 수 있다.
도 22는 본 명세서에 설명된 바와 같이 순수 철을 제조하기 위한 시스템 또는 공정의 임의의 실시예에 의해 생성된 철을 사용하여 친환경 철 및 친환경 철 제품을 제조하기 위한 공정(2200)을 도시한다. 공정(2200)에 따르면, 철광석은 실질적으로 재생 가능 또는 탄소 배출 제로 에너지(예를 들어, 풍력, 태양열, 조력, 지열 또는 원자력 전기 에너지)만을 사용하여 2202에서 "친환경 철"로 전환될 수 있다. 2204에서, 친환경 철은 본 명세서에 설명된 바와 같이 도금 셀로부터 제거될 수 있다.
2206에서, 친환경 철은 바람직하게는 실질적으로 재생 가능 또는 제로 탄소 방출 에너지 (예컨대, 풍력, 태양열, 조력, 지열, 또는 원자력 전기 에너지)만을 사용하여 용융될 수 있다. 다양한 실시예에서, 철은 유도 용광로, 마이크로파, 전기 아크 용광로 또는 다른 시스템을 사용하여 전기 에너지만으로 용융될 수 있다. 일부 실시예에서, 철을 용해하기 위해 종래의 기본 산소 용광로가 사용될 수 있다.
2208에서, 용융된 철은 원하는 등급의 용융 강철(molten steel)을 만들기 위해 다양한 첨가제 및 합금 재료와 혼합될 수 있다. 이러한 첨가제 및/또는 합금 원소의 예로는 탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 망간, 니켈, 코발트, 실리콘, 납, 붕소, 알루미늄, 구리, 세륨, 니오븀, 티타늄, 텅스텐, 주석, 아연, 지르코늄 또는 이들의 임의의 조합이 포함될 수 있다.
2210에서, 용융 강철은 압출, 성형, 주조, 또는 다른 용융-고체 강철 성형 단계에 의해 강철 제품 또는 제품 전구체로서 형성될 수 있다. 압연, 단조, 용접, 스탬핑, 가공 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 추가적인 제조 단계가 또한 철강 제품을 제조하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 시스템, 방법 및 공정에 의해 생산된 순수 철은 근본적으로 순환 철 경제를 가능하게 하는 급전(給電) 가능한(dispatchable) 수소, 시즌별(seasonal) 저장 및 금속 연료 제조와 같은 다양한 시장 목적을 위해 배치될 수 있는 에너지 운반체 (예를 들어, "금속 전기"의 한 형태)를 나타낸다.
급전 가능한 수소는 온-로케이션(on-location) 및 온-디맨드(on-demand) 수소의 전달을 의미한다. 일부 실시예에서, 본원의 시스템 및 방법에 의해 생산된 철은 수소 가스가 요구되는(desired) 위치로 전달되어 (예를 들어, 고온에서) 물 또는 (산 발생기에 의해 현장에서 생산될 수 있거나, 다른 방식으로 획득될 수 있는) 산과 반응할 수 있다. 철과 산의 반응은 철을 산화시키면서 자연적으로 수소 가스를 생성한다. 그런 다음, 산화 철은 반환되어 본원에 설명된 철 전환 공정 중 하나에서 공급 원료로서 사용될 수 있다.
본 명세서에 설명된 전환 공정에 의해 생성된 철은 시즌별 저장 (즉, 예컨대 태양열의 경우 여름에서 겨울과 같이, 고-생성 시즌에서 저-생성 시즌으로 주별 또는 월별 재생가능한 에너지를 타임-시프팅(time-shifting)) 또는 일일 저장 (즉, 일의 고-생성 시간대에서 저-생성 시간대로, 일례로 태양열의 경우 한낮에서, 저녁, 밤, 또는 아침으로 시간에 따라 재생가능한 에너지를 타임-시프팅) 에 사용될 수 있는 1차 (1회-방전) 또는 2차 (재생 가능한) 철-전극 배터리 (예컨대, 니켈-철 배터리, 철-공기 배터리, 모든-철(all-iron) 플로우 배터리 또는 기타)를 제조하는 데에 사용될 수 있다.
본원에 설명된 전환 공정에 의해 제조된 철은 충분히 작은 입자로 만들어지고, 용광로(예를 들어, 석탄로)에서 고체 연료로서 연소될 수 있다. 철의 연소는 산소를 소비하여 산화철 (전형적으로 헤마타이트)을 형성하지만, 온실 가스를 방출하지는 않는다.
전술한 명세서의 어떤 부분에서, (전형적으로 하나 이상의 산화물 형태로 산화되고 난 후) 이러한 공정들에서 그 유효 수명에 도달한 "사용된" 철은 본 명세서에 기술된 것과 같은 철 전환 공정으로 반환되어 금속 철로 다시 전환될 수 있다.
철 환원 단계를 분리하기 위한 "산화 환원 매개체" 프레임워크
본 명세서의 다양한 실시예 및 예들에서 철(ferrous)-철(iron) 환원으로부터 철(ferric)-철(ferrous) 환원의 분리(decoupling)는 이론적으로 하기 식에 도시된 바와 같이 철 환원과 산소 발생 사이를 매개하는 "산화 환원 매개체" 쌍의 사용으로 이해될 수 있다:
산 재생 산화전극: 3/2H2O → 3H+ + 3/4O2 + 3e (식 17a)
산 재생 환원전극: 3Fe3+ + 3e → 3Fe2+ (식 17c)
도금 셀 산화전극: 2Fe2+ → 2Fe3+ + 2e (식 18a)
도금 셀 환원전극: Fe2+ + 2e → Fe (식 18c)
도금 셀 산화전극(22a)에서의 반쪽 반응은 산 재생 환원전극(21c)의 반쪽 반응의 역반응과 정확히 일치한다. 본질적으로 산화 환원 쌍 Fe3+/Fe2+는 물 산화 반응과 Fe3+의 Fe0으로의 환원을 두 개의 개별 전기 화학 셀로 분리(decoupling)할 수 있는 산화 환원 매개체 역할을 하며, 첫 번째 셀은 ferric 철을 ferrous 철로 환원만 수행하는 반면, 두 번째 셀은 도금에 의해 ferrous 철을 철 (iron) 금속으로 환원한다. 이러한 방식으로, Fe3+/Fe2+ "셔틀"의 작용을 활용하고 유리하게 사용하여, 전체 시스템 반응에 대한 전반적인 효율성과 제어를 개선할 뿐만 아니라 실질적인 실용성과 비용 절감 이점을 창출할 수 있다. 많은 장점들 중에서, 이 분리는 산 재생성 셀과 도금 셀을 실질적으로 다른 전류 밀도에서 작동하게 할 수 있으며, 이는 두 셀의 상이한 경제적 및 작동적 특성을 고려할 때 특히 유리할 수 있다.
실시예 및 상기 예들에서 Fe3+/Fe2+ 쌍이 "산화 환원 매개체"로서 역할을 하는 반면, 도 23에 예시적으로 도시된 바와 같은 일반적인 산화 환원 매개체 쌍은 산화된 매개체(MO)와 환원된 매개체(MR) 사이에서 설명될 수 있다: 전자가 1개인, MO/MR에서 반쪽 반응은 하기와 같다:
MR → MO + 1e- (식 19)
산화 환원 매개체 쌍은 철 도금과 물 산화 반응을 다음과 같이 두 개의 셀로 분리하는 데 사용될 수 있다:
셀 1:
산화전극: H2O → ½O2 + 2H+ + 2e (식 20)
환원전극: 2 MO + 2e- → 2 MR (식 21)
전체: H2O + 2 MO → ½O2 + 2H+ + 2 MR (식 22)
셀 2:
첫 번째 셀에서 생성된 환원 매개체 MR 을 사용하여:
산화전극: 2 MR → 2 MO + 2e- (식 23)
환원전극: Fe2+ +2e- → Fe (식 24)
전체: Fe2+ + 2 MR → Fe + 2 MO (식 25)
이러한 방식으로, MO/MR 쌍은 도 23에 도시된 바와 같이 철 공급 원료 용해 공정과 철 도금 공정을 분리하는 "산화 환원 매개체"로서의 역할을 수행할 수 있다. 다양한 실시예에서, 다른 산화 환원 쌍은 상이한 전기 화학 반응에 의해 유사한 기능적 분리를 달성하기 위해 사용될 수 있다. 다양한 예시적인 대체 레독스 매개체 쌍은 다음을 포함할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다: Cu2+/Cu0, V5+/V4+, V3+/V2+, Zn2+/Zn0, 임의의 다른 염, 퀴논/하이드로퀴논과 같은 임의의 유기 산화환원 쌍, H+/H2와 같은 기체, 및 기타. 일부 실시예에서, 금속 산화 환원 매개체는 용해에 의해 용액에 제공될 수 있고 도금, 용매 추출 또는 다른 방법에 의해 용액으로부터 개별적으로 추출될 수 있다.
본원에서는 다양한 측면이 고려되며, 그 중 일부는 아래 단락에 기재되어 있다. 임의의 양상 또는 그 일부가 결합되어 양상을 형성할 수 있다는 것이 명시적으로 고려된다. 또한, 양상 A1에 대한 임의의 참조는 양상 A1a, A1b, A1c 및/또는 A1d에 대한 참조를 포함하고, 양상 B1에 대한 임의의 참조는 양상 B1a, B1b, B1c 및/또는 B1d에 대한 참조를 포함하며, 양상 C1에 대한 임의의 참조는 양상 C1a 및/또는 C1b에 대한 참조를 포함하며, 양상 D1에 대한 임의의 참조는 양상 D1a 및/또는 D1b에 대한 참조를 포함하는 것으로 명시적으로 고려된다. 또한, 아래의 양상은 양상 A, B, C 및 D로 세분화되지만, 각 세분화 A, B, C 및 D의 양상은 임의의 방식으로 결합될 수 있음이 명시적으로 고려된다. 또한, "임의의 선행 양상"이라는 용어는 해당 문구가 포함된 양상 앞에 나타나는 모든 양상을 의미한다 (즉, "양상 B13: 양상 B8의 방법 또는 시스템 또는 임의의 선행 양상, ..."이라는 문장은 양상 B1-12 및 양상 A1-A97과 같은 모든 "A" 양상을 포함하여 양상 B13 이전의 모든 양상이 참조됨을 의미한다). 예를 들어, 선택적으로, 아래 측면의 임의의 시스템 또는 방법은 아래에 제공된 다른 측면과 함께 또는 결합하여 유용할 수 있는 것으로 고려된다. 또한, 예를 들어, 상술한 임의의 실시예는 선택적으로, 아래에 열거된 측면 중 임의의 측면과 결합될 수 있는 것으로 고려된다.
양상 A1a
환원제의 존재 하 마그네타이트를 형성하기 위해 철-함유 광석의 하나 이상의 비(非)-마그네타이트 산화철 물질을 열적 환원, 이로 인해 열적-환원된 광석을 형성; 및
산성의 철-염 용액은 전기화학적 셀에서 전기화학적 생성된 양성자를 포함하는,
산성의 철-염 용액을 형성하기 위해 산을 이용하여 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법.
양상 A1b
용해 탱크에서, 철-함유 광석의 부분을 용해하기 위해 철-함유 광석을 산과 접촉, 이로 인해 용해된 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성;
전기화학적 셀은 환원전극 챔버에서 환원전극액으로써 작용하는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분의 존재 하 환원전극, 산화전극액의 존재 하 산화전극, 및 산화전극액으로부터 환원전극액을 분리하는 분리기를 포함하는,
용해 탱크와 전기화학적 셀의 환원전극 챔버 사이에서 산성의 철-염 용액의 부분을 재순환;
환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 환원전극에서 환원전극액으로부터 용해된 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 전기화학적으로 환원; 및
철-함유 광석의 존재 하 용해 탱크에서 산성의 철-염 용액은 적어도 0.2M (선택적으로, 예를 들어, 적어도 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4 또는 5 M이고, 정상 상태 자유 양성자 농도는 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 5 또는 6 M 미만이되, 이러한 값은 어떠한 방식으로든 결합하여 범위를 형성할 수 있음, 예를 들어 0.2-6M)의 정상 상태 자유 양성자 농도를 특징으로 하는,
전기화학적 셀에서 양성자를 전기화학적 생성 및 전기화학적 생성된 양성자를 환원전극액으로 제공;을 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법.
양상 1c
환원제는 H2 가스를 포함하고, 및
상기 H2 가스의 적어도 부분은 철 금속과 산의 반응을 통해 화학적으로 생성되고 및/또는 H2 가스의 적어도 부분은 철 전기도금 공정의 기생 수소 발생 반응을 통해 전기화학적으로 생성되는,
환원제의 존재 하 마그네타이트를 형성하기 위해 철-함유 광석의 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질을 열적 환원, 이로 인해 열적-환원된 광석을 형성; 및
산성의 철-염 용액을 형성하기 위해 산성 용액을 이용하여 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하되,
상기 용해 단계는 상기 산성 용액에서 형성된 마그네타이트를 용해;를 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법.
양상 1d
제1 산에서 제1 광석의 용해는 제1 용해 탱크에서 용해된 Fe3+ 이온을 포함하는 제1 산성의 철-염 용액을 형성하는,
제1 산을 사용하여 제1 철-함유 광석을 용해시키는 제1 용해 탱크;
전기화학적 셀은 환원전극 존재 하 환원전극액을 갖는 환원전극 챔버, 산화전극의 존재 하 산화전극액을 갖는 산화전극 챔버, 및 상기 환원전극액과 산화전극액을 분리하는 분리기를 포함하는,
제1 용해 탱크에 유체적으로 연결된 전기화학적 셀; 및
제1 산성의 철-염 용액으로부터의 Fe3+ 이온의 적어도 부분은 환원전극에서 환원전극액의 Fe2+ 이온으로 전기화학적으로 환원되어, 이로 인해 제1 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 소비하는,
제1 용해탱크로부터 환원전극 챔버로 제1 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 및 전기화학적 셀로부터 제1 용해탱크로 환원전극액의 적어도 부분을 순환시키는 제1 순환 서브시스템;을 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 시스템.
양상 A2
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 용해 단계 동안 전기화학적 셀로부터 산성의 철-염 용액으로의 상기 전기화학적으로 생성된 양성자를 갖는 환원전극액의 적어도 부분을 제공, 이로 인해 열적-환원된 광석의 존재 하 산성의 철-염 용액으로 전기화학적으로 생성된 양성자를 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A3
양상 A2에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은
용해 단계는 용해 탱크에서 수행되고;
상기 용해 탱크와 상기 전기화학적 셀은 유체적으로 연결되고;
산성의 철-염 용액은 용해 탱크와 전기화학적 셀 사이를 순환하는, 방법 또는 시스템.
양상 A4
양상 A2에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은
용해 단계의 적어도 부분 도중, 모든 산성의 철-염 용액은 용해 탱크와 전기화학적 셀 사이를 순환하는, 방법 또는 시스템.
양상 A5
양상 A2-A4에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은
용해 동안 열적-환원된 광석과 산성의 철-염 용액 사이 반응은 물을 생성하여, 이로 인해 산성의 철-염 용액의 양성자를 소비하고;
제공된 전기화학적-생성된 양성자는 산성의 철-염 용액에서 소비된 양성자의 적어도 부분을 대체하는, 방법 또는 시스템.
양상 A6
양상 A2-A5에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은
전기화학적-생성된 양성자는 용해 단계의 적어도 부분 동안 산성의 철-염 용액에 계속적으로 제공되는, 방법 또는 시스템.
양상 A7
양상 A2-A6에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은
산성의 철-염 용액은 열적-환원된 광석의 용해 동안 적어도 0.2M (예를 들어, 적어도 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4 또는 5 M이고, 정상 상태 자유 양성자 농도는 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 5 또는 6 M 미만이되, 이러한 값은 어떠한 방식으로든 결합하여 범위를 형성할 수 있음, 예를 들어 0.2-6M)의 정상 상태 자유 양성자 농도를 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A8
양상 A7에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은
산성의 철-염 용액은 정상 상태 자유 양성자 농도가 0.2M 내지 3M (예를 들어, 0.4-2.8M, 0.6-2.6M, 0.8-2.2 M, 1-2 M, 1.2-1.8 M, 0.2-0.8 M, 0.8-1.4 M, 1.4-2 M, 2-2.5 M, or 2.5-3 M) 의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A9
양상 A7 또는 A8에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은
산성의 철-염 용액은 0.7 미만의 정상 상태 pH를 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A10
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 동일한 또는 다른 전기화학적 셀에서 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 전기화학적-생성된 Fe2+ 이온으로의 전기화학적 환원으로써 Fe2+ 이온을 전기화학적 생성;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A11
양상 A10에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 용해 단계 동안, 열적-환원된 광석의 존재 하, 전기화학적-생성된 Fe2+ 이온을 산성의 철-염 용액으로 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A12
양상 A10 또는 A11에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
전기화학적 셀은 전기화학적-생성된 양성자와 전기화학적-생성된 Fe2+ 이온 둘 다를 생성하고,
용해 단계는 용해 탱크에서 수행되고,
상기 용해 탱크와 상기 전기화학적 셀은 유체적으로 연결되고, 산성의 철-염 용액은 상기 용해 탱크와 상기 전기화학적 셀 사이를 순환하는, 방법 또는 시스템.
양상 A13
양상 A8에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
전기화학적 셀은 환원전극액의 존재 하 환원전극, 산화전극액의 존재 하 산화전극, 및 산화전극액으로부터 환원전극액을 분리하는 분리기를 포함하고,
상기 환원전극액은 산성의 철-염 용액을 포함하고,
산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 전기화학적 환원;은 환원전극액에서 전기화학적-생성된 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 환원전극에서 수행되고, 및
상기 방법은
전기화학적 셀에서 전기화학적-생성된 양성자를 전기화학적 생성;
전기화학적-생성된 양성자를 환원전극액에 제공;을 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A14
양상 A13에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 전기화학적-생성된 양성자를 전기화학적 생성 단계는 산화전극에서 물을 전기화학적 산화;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A15
양상 A13에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자를 전기화학적 생성; 단계는 산화전극에서 H2 가스를 전기화학적 산화;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A16
양상 A14 또는 A15에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자를 제공; 단계는 산화전극액으로부터 환원전극액으로 분리기를 통해 전기화학적-생성된 양성자를 이송;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A17
양상 A13-A16에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 전기화학적 셀은 80% 초과 (선택적으로 예를 들어 80%, 85%, 90%, 95%, 또는 99% 초과이고, 이 때 쿨롱 효율은 80%, 85%, 90%, 95%, 99%, or 100% 미만이고, 이러한 값은 어떤 방법에서든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음-예를 들어 80-100%)의 쿨롱 효율을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A18
양상 A13-A17에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자는 환원전극액에서 적어도 부분적으로 산을 형성하는, 방법 또는 시스템.
양상 A19
양상 A13-A18에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 환원전극액으로부터 산화전극액으로 물을 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A20
양상 14 또는 16에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
산화전극에서 산화된 물은 용해 단계 동안 철-함유 광석의 용해로 생성되는 물을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A21
양상 A19 또는 A20에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
물은 삼투를 통한 분리기를 통해 환원전극액으로부터 산화전극액으로 제공되는, 방법 또는 시스템.
양상 A22
양상 A13-A21에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
산화전극액은 환원전극액의 전체 염 농도보다 더 큰 전체 염 농도인 것을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A23
양상 A13-A22에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 막 증류를 통해 환원전극액으로부터 물을 분리; 및 상기 분리된 물을 산화전극액에 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A24
양상 A13-A23에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 플래시 증류를 통해 환원전극액으로부터 물을 분리; 및 상기 분리된 물을 산화전극액에 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A25
양상 A13-A24에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 역삼투압을 통해 환원전극액으로부터 물을 분리; 및 상기 분리된 물을 산화전극액에 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A26
양상 A13-A25에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
산화전극액은 환원전극액과는 다른 조성을 갖는, 방법 또는 시스템.
양상 A27
양상 A13-A26에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과 다른 pH를 갖는, 방법 또는 시스템.
양상 A28
양상 A13-A27에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 환원전극액은 제1 산화전극액보다 낮은 pH를 갖는, 방법 또는 시스템.
양상 A29
양상 A13-A28에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액의 용해된 염의 조성과는 다른 용해된 염의 조성을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A30
양상 A13-A29에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 산화전극액은 하나 이상의 용해된 Fe3+ (ferric) 철 염을 포함하고;
제1 산화전극액은 상기 하나 이상의 용해된 Fe3+ 철 염의 전체 농도가 제1 환원전극액의 전체 철 이온 농도 이상인 것을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A31
양상 A13-A30에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 환원전극액은 하나 이상의 지지 염을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A32
양상 A31에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 환원전극액은 0.1 내지 1M (예를 들어, 0.2 내지 0.8 M, 0.4 내지 0.6 M, 0.1 내지 0.4 M, 0.4 내지 0.8 M, 또는 0.8 내지 1 M) 범위에서 선택되는 하나 이상의 지지염 농도를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A33
양상 A31 또는 A32에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 하나 이상의 지지 염은 하나 이상의 금속 황산염 화합물을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A34
양상 A33에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 하나 이상의 금속 황산염 화합물은 황산칼륨, 황산나트륨, 황산암모늄, 황산리튬, 염화칼륨, 염화나트륨, 염화암모늄, 염화리튬, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A35
양상 A13-A34에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과는 다른 적어도 하나의 산화환원(redox) 쌍인 것을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A36
양상 A13-A35에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액보다 높은 용해된 염의 전체 농도를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A37
양상 A1-A21, A23-A29, A31-A35에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1산화전극액은 제1 환원전극액보다 낮은 용해된 염의 전체 농도를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A38
양상 A1-A29, A31-A35에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
산화전극액은 Fe2+ 및 Fe3+ 이온이 필수적으로 부재한(free), 방법 또는 시스템.
양상 A39
양상 A13-A38 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
환원전극액은 1 내지 8M (예를 들어, 1-5 M, 2-5 M, 1-8 M, 2-7 M, 3-6 M, 4-5 M, 1-3 M, 3-5 M, 5-8 M, 1-4 M, 3-5 M, 또는 3-8 M) 범위에서 선택되는 최대 염 농도를 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A40
환원전극액은 0.5 내지 5M (예를 들어, 1-5 M, 1-4 M, 1-3 M, 0.5-5 M, 0.5-4 M, 2-4 M, 2-5 M, 1-2 M) 범위에서 선택되는 최대 철 이온 농도를 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A41
양상 A13-A40 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템 은 산화전극에서 산소 (O2)를 전기화학적으로 생성;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A42
양상 A13-A41 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
산화전극에서 전기화학적 반응은 하기로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 산화환원 쌍임을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템:
O2/H2O, H2O/H2, H2/H+, H+/H2O, 및 이들의 임의의 조합.
양상 A43
양상 A13-A42에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 분리기를 통해 제1 환원전극액으로 이온적으로 연결되는, 방법 또는 시스템.
양상 A44
양상 A43 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과 유체적으로 분리되는, 방법 또는 시스템.
양상 A45
양상 A13-A44 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 분리기는 이온교환막인, 방법 또는 시스템.
양상 A46
양상 A45 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 분리기는 양성자교환막 (PEM)인, 방법 또는 시스템.
양상 A47
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 Fe2+ 이온을 갖는 철-풍부 용액을 생산;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A48
양상 A47에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
생산된 철-풍부 용액은 0.5 내지 5M (예를 들어, 1-4 M, 1-5 M, 0.5-4 M, 1-4 M, 1-3 M, 0.5-4 M, 2-4 M, 2-5 M, 또는 1-2 M)범위에서 선택되는 전체 철 이온 농도를 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A49
양상 A47 또는 A38 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 전기화학적 셀 및/또는 용해 단계가 수행되는 용기(vessel)로부터 생산된 철-풍부 용액을 제거;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A50
양상 A3-A49 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 전기화학적 셀로부터 용해 탱크를 유체적으로 분리함으로써 및/또는 용해 단계의 완료 동안 및 완료 이전에 전기화학적 셀을 차단(turn off)함으로써, 산성의 철-염 용액의 pH를 올리기;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A51
양상 A47-A50 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 생산된 철-풍부 용액의 pH를 2 내지 7 (예를 들어, 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, 또는 6-7) 범위에서 선택되도록 올리기, 이로 인해 pH-조정된 철-풍부 용액을 생산;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A52
양상 A47-A51 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 생산된 철-풍부 용액의 pH를 2 내지 7 미만 (예를 들어, 2-6.5, 2-6, 2-5, 3-7 미만, 3-6, 3-5, 3-4, 4-7 미만, 4-6, 4-5, 5-7 미만, 5-6, 또는 6-7 미만) 의 범위에서 선택되도록 올리기, 이로 인해 pH-조정된 철-풍부 용액을 생산;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A53
양상 A51 또는 A52 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
pH를 올리기 단계는 생산된 철-풍부 용액의 존재 하 금속 철 및/또는 하나 이상의 산화철 물질을 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A54
양상 A53 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
pH를 올리기 단계는 생산된 철-풍부 용액의 존재 하 마그네타이트를, 금속 철을, 또는 마그네타이트와 금속 철을 함께 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A55
양상 A54 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
pH를 올리기 단계는 생산된 철-풍부 용액의 존재 하 마그네타이트를, 또는 마그네타이트와 금속 철을 함께 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A56
양상 A51-A55 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
pH를 올리기 단계는 생산된 철-풍부 용액의 pH를 2 내지 7 (예를 들어, 2-6.5, 2-6, 2-5, 3-7, 3-7 미만, 3-6, 3-5, 3-4, 4-7, 4-7 미만, 4-6, 4-5, 5-7, 5-7 미만, 5-6, 또는 6-7, 또는 6-7 미만)범위에서 선택되도록 올리기 위한 충분한 양의 금속 철을 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A57
양상 A47-A56 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 생산된 철-풍부 용액으로부터 하나 이상의 Fe2+ (ferrous) 염을 침전; 또는 결정화;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A58
양상 A47-A57 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 전기 도금 이외의 하나 이상의 공정을 통해 생산된 철-풍부 용액으로부터 하나 이상의 Fe2+ (ferrous) 염을 제거;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A59
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
열적 환원 단계는 200 oC 내지 600 oC (예를 들어, 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, 또는 500-600의 온도 (oC ))범위에서 선택된 고온에서 철-함유 광석의 상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질을 환원제에 노출, 이로 인해 상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질의 적어도 부분을 마그네타이트로 전환;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A60
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 H2 가스의 적어도 부분은 철 금속과 산의 반응을 통해 화학적으로 생성; 및/또는 상기 H2 가스의 적어도 부분은 철 전기도금 공정의 기생(parasitic) 수소 발생(evolution) 반응을 통해 전기화학적으로 생성;되는, 방법 또는 시스템.
양상 A61
양상 A59 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 철-함유 광석은 열적 환원 단계 동안 열적-처리 시간 동안 고온에 노출되고,
철-함유 광석은 상기 열적-처리 시간 전체 동안 환원제에 노출되는, 방법 또는 시스템.
양상 A62
양상 A59 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
철-함유 광석은 열적 환원 단계 동안 열적-처리 시간 동안 고온에 노출되고,
철-함유 광석은 상기 열적-처리 시간의 부분 동안 환원제에 노출되는, 방법 또는 시스템.
양상 A63
양상 A62에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법은 열적-처리 시간의 초기 부분 동안 철-함유 광석을 공기에 노출시킴으로써 철-함유 광석을 에어-로스팅(air-roasting);을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A64
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 에어-로스팅된 광석을 형성하기 위하여 200 ºC 내지 600 ºC (예를 들어, 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, 또는 500-600의 온도 (oC ))범위에서 선택된 온도에서 공기의 존재 하 철-함유 광석의 적어도 부분을 에어-로스팅;을 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A65
양상 A64 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 에어-로스팅 단계는 열적 환원 단계 이전에 또는 열적 환원 단계와는 별도로 수행되고,
에어-로스팅된 광석은 에어-로스팅 이전에 열적 환원되지 않는, 방법 또는 시스템.
양상 A66
양상 A64 또는 A65에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
열적 환원 단계는 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 형성하기 위해 에어-로스팅된 광석을 열적 환원;을 포함하고,
상기 에어-로스팅된 광석은 상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A67
양상 A64, A65, 또는 A66에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
용해 단계는 에어-로스팅된 광석의 적어도 부분과 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 동시에 및/또는 순차적으로 용해;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A68
양상 A67 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
용해 단계는 용해 단계의 적어도 부분 동안 열적-환원된 광석보다 분리된(separate) 용해 탱크에서 에어-로스팅된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A69
양상 A64-A68 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
용해 단계는 광석-혼합물을 용해;를 포함하고,
상기 광석-혼합물은 열적-환원된 광석의 0 중량% 내지 100 중량% (예를 들어, 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 중량%), 로스팅된 광석의 5 중량% 내지 100 중량% (예를 들어, 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 중량%), 로스팅된 마그네타이트-포함 광석의0 중량% 내지 90 중량% (예를 들어, 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, 80-90중량%)를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A70
양상 A64-A69 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
용해 단계는 제1 전기화학적 셀과 제1 용해 탱크, 제2 용해 탱크, 및 제3 용해 탱크 중 적어도 하나 사이에서 용해 용액을 순환시키는 것;을 포함하고,
상기 제1 용해 탱크는 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 포함하고,
상기 제2 용해 탱크는 에어-로스팅된 광석을 포함하고, 및
상기 제3 용해 탱크는 철-함유 원(原, raw) 광석을 포함하고,
상기 원 광석은 열적 환원되거나 에어-로스팅되지 않은 철-함유 광석인, 방법 또는 시스템.
양상 A71
양상 A70 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 순환시키는 것의 단계는 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수 동안 용해 용액을 순환시키는 것을 포함하고,
상기 용해 용액은 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수의 0 내지 99% (예를 들어, 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, 또는 80-95%) 동안 전기화학적 셀과 제3 용해 탱크 사이를 순환하고,
상기 용해 용액은 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수의 0 내지 99% (예를 들어, 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, 또는 80-95%) 동안 전기화학적 셀과 제2 용해 탱크 사이를 순환하고,
상기 용해 용액은 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수의 1 내지 100% (예를 들어, 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, 또는 80-95%) 동안 전기화학적 셀과 제1 용해 탱크 사이를 순환하는, 방법 또는 시스템.
양상 A72
양상 A70 또는 A71 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
순환시키는 단계 동안, 제1, 제2, 및 제3 용해 탱크의 세 개 사이에서 또는 전기화학적 셀과 제1, 제2, 및 제3 용해 탱크의 임의의 두 개 사이에서 어떠한 순서든 순차적으로 및/또는 동시에 용해 용액이 순환하는, 방법 또는 시스템.
양상 A73
양상 A72 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
순환시키는 것의 단계는
전기화학적 셀과 원 광석을 갖는 제3 용해 탱크 사이에서 먼저 용해 용액을 제1 순환시키는 것, 그 후 전기화학적 셀과 에어-로스팅된 광석을 갖는 제2 용해 탱크 사이에서 용해 용액을 제2 순환시키는 것, 그 후 전기화학적 셀과 열적-환원된 광석을 갖는 제1 용해 탱크 사이에서 용해 용액을 제3 순환시키는 것을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A74
양상 A70-A73 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 용해 용액은 산성의 철-염 용액이거나, 산성의 철-염 용액을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A75
양상 A64-A74 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 용해 탱크는 용해 단계의 어느 부분 동안에서든 에어-로스팅된 광석, 원 광석, 또는 둘 다를 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A76
양상 A64-A75 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 용해 탱크는 용해 단계의 어느 부분 동안에서든 열적-환원된 광석, 원 광석, 또는 둘 다를 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A77
양상 A64-A76 에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제3 용해 탱크는 용해 단계의 어느 부분 동안에서든 에어-로스팅된 광석, 열적-환원된 광석, 또는 둘 다를 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A78
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
용해 단계는 적어도 하나의 용해 탱크에서 수행되고,
용해 단계는 열적-환원된 광석의 존재 하 적어도 하나의 용해 탱크에서 에어-로스팅된 광석, 원 광석, 또는 둘 다를 산성의 철-염 용액에 도입;을 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A79
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질은 헤마타이트 및/또는 고에타이트를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A80
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
산성의 철-염 용액은 하기로 이루어지는 군에서 선택되는 산을 포함하는 방법 또는 시스템:
염산, 황산, 질산, 인산, 초산, 구연산, 옥살산, 붕산, 과붕산, 탄산, 메탄셀폰산, 및 이들의 임의의 조합.
양상 A81
용해 탱크에서, 철-함유 광석의 부분을 용해하기 위해 철-함유 광석을 산과 접촉, 이로 인해 용해된 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성;
전기화학적 셀은 환원전극 챔버에서 환원전극액으로써 작용하는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분의 존재 하 환원전극, 산화전극액의 존재 하 산화전극, 및 산화전극액으로부터 환원전극액을 분리하는 분리기를 포함하는,
용해 탱크와 전기화학적 셀의 환원전극 챔버 사이에서 산성의 철-염 용액의 부분을 재순환;
환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 환원전극에서 환원전극액으로부터 용해된 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 전기화학적으로 환원; 및
철-함유 광석의 존재 하 용해 탱크에서 산성의 철-염 용액은 적어도 0.2M (선택적으로, 예를 들어, 적어도 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4 또는 5 M이고, 정상 상태 자유 양성자 농도는 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 5 또는 6 M 미만이되, 이러한 값은 어떠한 방식으로든 결합하여 범위를 형성할 수 있음, 예를 들어 0.2-6M)의 정상 상태 자유 양성자 농도를 특징으로 하는,
전기화학적 셀에서 양성자를 전기화학적 생성 및 전기화학적 생성된 양성자를 환원전극액으로 제공;을 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법.
양상 A82
환원제는 H2 가스를 포함하고, 및
상기 H2 가스의 적어도 부분은 철 금속과 산의 반응을 통해 화학적으로 생성되고 및/또는 H2 가스의 적어도 부분은 철 전기도금 공정의 기생 수소 발생 반응을 통해 전기화학적으로 생성되는,
환원제의 존재 하 마그네타이트를 형성하기 위해 철-함유 광석의 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질을 열적 환원, 이로 인해 열적-환원된 광석을 형성; 및
산성의 철-염 용액을 형성하기 위해 산성 용액을 이용하여 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하되,
상기 용해 단계는 상기 산성 용액에서 형성된 마그네타이트를 용해;를 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법.
양상 A83
제1 산에서 제1 광석의 용해는 제1 용해 탱크에서 용해된 Fe3+ 이온을 포함하는 제1 산성의 철-염 용액을 형성하는,
제1 산을 사용하여 제1 철-함유 광석을 용해시키는 제1 용해 탱크;
전기화학적 셀은 환원전극 존재 하 환원전극액을 갖는 환원전극 챔버, 산화전극의 존재 하 산화전극액을 갖는 산화전극 챔버, 및 상기 환원전극액과 산화전극액을 분리하는 분리기를 포함하는,
제1 용해 탱크에 유체적으로 연결된 전기화학적 셀; 및
제1 산성의 철-염 용액으로부터의 Fe3+ 이온의 적어도 부분은 환원전극에서 환원전극액의 Fe2+ 이온으로 전기화학적으로 환원되어, 이로 인해 제1 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 소비하는,
제1 용해탱크로부터 환원전극 챔버로 제1 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 및 전기화학적 셀로부터 제1 용해탱크로 환원전극액의 적어도 부분을 순환시키는 제1 순환 서브시스템;을 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 시스템.
양상 A84
양상 A83에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
양성자는 전기화학적 셀에서 전기화학적으로 생성되고 환원전극액으로 공급되어, 이로 인해 용해 도중 소비된 산을 부분적으로 보충하는, 방법 또는 시스템.
양상 A85
양상 A84에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
양성자는 산화전극액에서 전기화학적으로 생성되어, 분리기를 통해 환원전극액으로 전달되는, 방법 또는 시스템.
양상 A86
양상 A83, A84, 또는 A85에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
철-함유 광석의 존재 하 용해 탱크에서 산성의 철-염 용액은 정상 상태 자유 양성자 농도가 적어도 0.2M (선택적으로, 예를 들어, 적어도 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 또는 5 M이고, 선택적으로 정상 상태 자유 양성자 농도가 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 5, 또는 6 M이되, 이러한 값은 어떤 방식으로든 범위를 형성하기 위하여 결합될 수 있음, 예를 들어 0.2-6M) 인 것을 특징으로 하고, 및/또는
정상 상태 pH가 0.7 이하 (예를 들어, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0, -0.1, -0.5, 또는 -1 이하이고, 선택적으로 정상 상태 pH가 적어도 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0, -0.1, -0.5, 또는 -1이고, 이러한 값은 어떤 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 -1 내지 0.7) 인 것을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 A87
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1산화전극액이 물 또는 수성 염 용액을 포함하고,
물은 제1 산화전극액에서 양성자를 생성하기 위해 산화전극에서 전기화학적으로 산화되고,
생성된 양성자는 분리기를 통해 환원전극액으로 이송되는, 방법 또는 시스템.
양상 A88
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
산화전극액은 환원전극액과 다른 조성을 갖는, 방법 또는 시스템.
양상 A89
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 철-함유 광석은 마그네타이트를 갖는 열적-환원된 광석을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A90
양상 A69에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 환원제의 존재 하에서 및 200 oC 내지 600 oC (예를 들어, 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, 또는 500-600의 온도(oC)) 범위에서 선택된 고온에서 비-마그네타이트 물질을 마그네타이트로 변환함으로써 열적-환원된 광석을 형성하도록 구성된 열적 환원 서브시스템을 추가적으로 포함하고;
상기 열적-환원된 광석은 상기 열적 환원 서브시스템으로부터 제1 용해 탱크로 제공되는, 방법 또는 시스템.
양상 A91
양상 A90에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 공기의 존재 하 및 200 oC 내지 600 oC (예를 들어, 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, 또는 500-600의 온도(oC)) 범위에서 선택된 고온에서 철-함유 광석을 에어-로스팅함으로써 에어-로스팅된 광석을 형성하도록 구성된 에어-로스팅 서브시스템을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 A92
양상 A91에 있어서, 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 에어-로스팅 서브시스템 및 상기 열적 환원 서브시스템은 동일한, 방법 또는 시스템.
양상 A93
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 에어-로스팅된 광석을 갖는 제2 용해 탱크를 포함하고,
상기 에어-로스팅된 광석은 열적 환원된 바 없고 200 oC 내지 600 oC 범위에서 선택된 고온에서 공기에 노출된 철-함유 광석이고,
상기 에어-로스팅된 광석의 용해는 제2 용해 탱크에서 용해된 Fe3+ 이온을 포함하는 제2 산성의 철-염 용액의 존재 하 발생하고,
상기 시스템은 제2 용해 탱크로부터 환원전극 챔버로 제2 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 및 전기화학적 셀로부터 제2 용해 탱크로 환원전극액의 적어도 부분을 순환시키는 제2 순환 서브시스템을 추가적으로 포함하고,
제2 산성의 철-염 용액으로부터의 Fe3+ 이온의 적어도 부분은 환원전극에서 환원전극액의 Fe2+ 이온으로 전기화학적으로 환원되어, 이로 인해 제2 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 소비하는, 방법 또는 시스템.
양상 A94
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 원 광석을 갖는 제3 용해 탱크를 포함하고,
상기 원 광석은 열적 환원되거나 에어-로스팅되지 않은 철-함유 광석이고,
에어-로스팅된 광석의 용해는 제3 용해 탱크에서 용해된 Fe3+ 이온을 포함하는 제3 산성의 철-염 용액의 존재 하 발생하고,
상기 시스템은 제3 용해 탱크로부터 환원전극 챔버로 제3 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 및 전기화학적 셀로부터 제3 용해 탱크로 환원전극액의 적어도 부분을 순환시키는 제3 순환 서브시스템을 추가적으로 포함하고,
제3 산성의 철-염 용액으로부터의 Fe3+ 이온의 적어도 부분은 환원전극에서 환원전극액의 Fe3+ 이온으로 전기화학적으로 환원되어, 이로 인해 제3 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 소비하는, 방법 또는 시스템.
양상 A95
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
생산된 철-풍부 용액은 1M 내지 4M (예를 들어, 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, 또는 3-3.5)의 범위에서 선택되는 철 이온 농도를 갖는, 방법 또는 시스템.
양상 A96
상기 또는 하기 양상들에 있어서,
산성의 철-염 용액에서의 양성자 농도 (선택적으로, 정상 상태 양성자 농도)가 (선택적으로 용해 단계가 수행되는 대부분의 시간 동안 그 임계치 위에 있은 후에) 0.4M (선택적으로, 0.3M, 선택적으로, 0.2M, 선택적으로, 0.1M) 이하일 때,
용해 단계가 종료되는, 방법 또는 시스템.
양상 A97
상기 또는 하기 양상들에 있어서,
산성의 철-염 용액 및/또는 생산된 철-염 용액에서 제1 환원전극액에서의 전체 철 이온 농도가 1M, 선택적으로 2M, 선택적으로 3M, 선택적으로 4M, 1M 내지 4M 사이의 포괄적으로 선택적으로 임의의 값 또는 범위가 되는 원하는 최대값 (선택적으로, 정상 상태 값) 일 때,
용해 단계가 종료되는, 방법 또는 시스템.
양상 B1a
제1전기화학적 셀은 제1산화전극(anode)의 존재 하 제1산화전극액(anolyte)을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1환원전극(cathode)의 존재 하 제1환원전극액(catholyte)을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1환원전극액으로부터 제1산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하며,
상기 제1산화전극액은 제1 환원전극액과는 다른 조성을 가지는,
철-함유 광석을 갖는 공급 원료를 제1전기화학적 셀을 포함하는 용해 서브시스템에 제공;
용해된 제1 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성하도록 철-함유 광석의 적어도 부분을 산을 이용하여 용해;
제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버에 제공;
Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극액의 상기 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 제1 전기화학적 환원;
형성된 Fe2+ 이온을 용해 서브시스템에서 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금(plating) 서브시스템으로 이동;
제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극에서 이동된 형성된 Fe2+ 이온의 제1 부분을 Fe 금속으로 제2 전기화학적 환원; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거, 이로 인해 철 생산;
을 포함하는, 철 생산 방법.
양상 B1b
제1전기화학적 셀은 제1산화전극의 존재 하 H2 가스를 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하는, 철-함유 광석을 갖는 공급 원료를 제1 전기화학적 셀을 포함하는 용해 서브시스템에 제공;
용해된 제1 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성하도록 철-함유 광석의 적어도 부분을 산을 이용하여 용해;
제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버에 제공;
Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극액의 상기 Fe3+ 이온을 제1 전기화학적 환원;
형성된 Fe2+ 이온을 용해 서브시스템에서 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템으로 이동;
제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극에서 이동된 형성된 Fe2+ 이온의 제1부분을 제2 전기화학적 환원; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거, 이로 인해 철 생산;
을 포함하는, 철 생산 방법.
양상 B1c
용해 탱크 및 상기 용해 탱크에 유체적으로 연결되는 제1 전기화학적 셀을 갖는 용해 서브시스템으로,
상기 제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리시키는 제1 분리기를 포함하고,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과 다른 조성을 가지는, 용해 서브시스템;
상기 용해 서브 시스템과 유체적으로 연결되고 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템;
상기 용해 서브 시스템과 상기 철-도금 서브 시스템 사이 제1 서브시스템-간 유체적 연결로써,
상기 용해 탱크는 철-함유 광석을 갖는 공급 원료를 받고,
상기 용해 탱크는 용해된 제1 Fe3+ 이온을 생성하기 위해 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해하는 산성의 철-염 용액을 포함하고,
제1 Fe3+ 이온은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극에서 전기화학적으로 환원되고,
형성된 Fe2+ 이온은 제1 서브시스템-간 유체적 연결을 통해 용해 서브시스템에서 철-도금 서브시스템으로 이동하며,
제2 전기화학적 셀은 전달된 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1 부분을 Fe 금속으로 환원시키는 제2 환원전극을 포함하며,
Fe 금속은 제2 전기화학적 셀로부터 제거되는, 제1 서브시스템-간 유체적 연결;을 포함하는, 철 생산 시스템.
양상 B1d
용해 탱크 및 상기 용해 탱크에 유체적으로 연결되는 제1 전기화학적 셀을 갖는 용해 서브시스템으로,
상기 제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극 존재 하 H2 가스을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리시키는 제1 분리기를 포함하는, 용해 서브시스템;
상기 용해 서브 시스템과 유체적으로 연결되고 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템;
상기 용해 서브 시스템과 상기 철-도금 서브 시스템 사이 제1 서브시스템-간 유체적 연결로써,
상기 용해 탱크는 철-함유 광석을 갖는 공급 원료를 받고,
상기 용해 탱크는 용해된 제1 Fe3+ 이온을 생성하기 위해 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해하는 산성의 철-염 용액을 포함하고,
제1 Fe3+ 이온은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극에서 전기화학적으로 환원되고,
형성된 Fe2+ 이온은 제1 서브시스템-간 유체적 연결을 통해 용해 서브시스템에서 철-도금 서브시스템으로 이동하며,
제2 전기화학적 셀은 전달된 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1 부분을 Fe 금속으로 환원시키는 제2 환원전극을 포함하며,
Fe 금속은 제2 전기화학적 셀로부터 제거되는, 제1 서브시스템-간 유체적 연결;을 포함하는, 철 생산 시스템.
양상 B2
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 용해 단계 동안,
제1 전기화학적 셀에서 양성자를 전기화학적으로 생성; 및
상기 산성의 철-염 용액에 전기화학적으로 생성된 양성자를 제공;
을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B3
양상 B2에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
생성되어 상기 산성의 철-염 용액에 제공된 전기화학적으로 생성된 양성자는, 상기 산성의 철-염 용액이 용해 단계 동안 정상 상태 pH 0.7 이하 (예를 들어, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0, -0.1, -0.5, 또는 -1 이하, 선택적으로 정상 상태 pH는 적어도 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0, -0.1, -0.5, 또는 -1이며 이러한 값은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 -1 내지 0.7)인 것을 특징으로 하는 것을 용이하게 하는, 방법 또는 시스템.
양상 B4
양상 B2 또는 양상 B3에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
생성되어 상기 산성의 철-염 용액에 제공된 전기화학적으로 생성된 양성자는, 상기 산성의 철-염 용액이 용해 단계 동안 정상 상태 자유 양성자 농도 0.2M 이상 (선택적으로, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 또는 5 M 이상이며, 자유 양성자 농도는 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 5, or 6 M 미만이며, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.2-6M)인 것을 특징으로 하는 것을 용이하게 하는, 방법 또는 시스템.
양상 B5
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은
제1 환원전극액의 상기 Fe3+ 이온을 제1 전기화학적 환원 단계를 거칠 때
상기 철-포함 광석의 용해를 용이하게 하기 위해
용해 단계 동안 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 지속적으로 제거;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B6
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1산화전극액은 제1환원전극액과는 다른 pH를 갖는, 방법 또는 시스템.
양상 B7
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1환원전극액은 제1산화전극액보다 낮은 pH를 갖는, 방법 또는 시스템.
양상 B8
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1산화전극액은 제1환원전극액의 용해된 염과는 다른 용해된 염의 농도를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B9
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1산화전극액은 하나 이상의 용해된 Fe3+ (ferric) 철염을 포함하고;
제1산화전극액은 하나 이상의 용해된 Fe3+ 철염의 전체 농도가 제1환원전극액의 전체 철 이온 농도 이상인 것을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 B10
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1환원전극액이 하나 이상의 지지 염을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B11
양상 B10에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1환원전극액이 0.1 내지 1M 범위에서 선택되는 하나 이상의 지지염의 농도를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B12
양상 B10 또는 B11에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 하나 이상의 지지 염은 하나 이상의 금속 황산염 화합물 및/또는 하나 이상의 금속 염화물 화합물을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B13
양상 B12에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 하나 이상의 금속 황산염 화합물은 황산칼륨, 황산나트륨, 황산암모늄, 황산리튬, 염화칼륨, 염화나트륨, 염화암모늄, 염화리튬, 또는 이들의 조합을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B14
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1산화전극액은 적어도 하나의 산화환원쌍 (redox couple)이 제1환원전극액과 다른 것을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 B15
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1산화전극액은 제1환원전극액보다 높은 용해된 염의 전체 농도를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B16
양상 B1-B8 및 B10-14 중 어느 하나에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1산화전극액은 제1환원전극액보다 낮은 용해된 염의 전체 농도를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B17
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1산화전극액은 제1분리기를 통해 제1환원전극액에 이온적으로 연결되는,
방법 또는 시스템.
양상 B18
양상 B17에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1산화전극액은 제1환원전극액으로부터 유체적으로 분리되는,
방법 또는 시스템.
양상 B19
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1분리기가 이온 교환막인, 방법 또는 시스템.
양상 B20
양상 B19에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1분리기가 양성자 교환막(PEM)인, 방법 또는 시스템.
양상 B21
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 용해 서브시스템은 제1 전기화학적 셀과 유체적으로 연결된 제1용해 탱크를 포함하며;
상기 용해 단계는 상기 용해 탱크에서 수행되어 용해된 제1 Fe3+ 이온이 용해 탱크에서 생성되고;
상기 방법은 상기 용해 탱크 및 상기 제1 전기화학적 셀 사이에서 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 제1 순환시키는 것을 포함하되;
제1순환시키는 것의 단계는 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 상기 용해 탱크로부터 상기 제1 환원전극 챔버로 제공하는 단계를 포함하며;
제1순환시키는 것의 단계는 형성된 Fe2+ 이온을 제1환원전극액에서 제1용해 탱크로 제공;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B22
양상 B21에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 환원전극 챔버로 제공된 상기 산성의 철-염 용액의 부분은 제1 환원전극액의 적어도 부분으로 작용하여, 제1환원전극액은 상기 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B23
양상 B21 또는 양상 B22에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
모든 상기 산성의 철-염 용액은 상기 제1용해 탱크 및 제1 전기화학적 셀 사이를 순환하는, 방법 또는 시스템.
양상 B24
양상 B21, 양상 B22, 또는 양상 B23에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 전기화학적으로 수성 양성자를 생성하기 위해 상기 제1산화전극에서 물을 산화 및 전기화학적-생성된 양성자를 제1 환원전극액에 제공을 포함하며;
순환시키는 것의 단계는 전기화학적-생성된 수성 양성자를 제1환원전극액으로부터 용해 탱크로의 제공을 포함하여,
제1 용해 탱크의 산성의 철-염 용액이 용해 단계 동안 전기화학적-생성된 양성자를 포함하도록 하는, 방법 또는 시스템.
양상 B25
양상 B24에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1전기화학적 셀에서 산화된 물은 철-함유 광석의 용해를 통해 용해 탱크에서 생성되고;
순환시키는 것의 단계는 제1 용해 탱크로부터 제1 환원전극액으로 생성된 물을 제공;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B26
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법은 물을 제1환원전극으로부터 제1산화전극으로 제공;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B27
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법은 형성된 Fe2+ 이온을 갖는 철-풍부 용액을 용해 서브시스템에서 생산;를 포함하고
형성된 Fe2+ 이온을 이동하는 단계는 철-풍부 용액의 적어도 부분을 용해 서브시스템으로부터 제거; 및 전달된 철-풍부 용액을 철-도금 서브시스템으로 전달;을 포함하되, 상기 전달된 철-풍부 용액은 제거된 철-풍부 용액의 적어도 부분을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B28
양상 B27에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
형성된 Fe2+ 이온을 갖는 상기 전달된 철-풍부 용액은 0.5 초과 (예를 들어, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 또는 6 초과, 선택적으로 0.6, 0.7, 0.8, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 또는 6 미만, 및 이러한 pH는 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위하여 결합될 수 있음, 예를 들어 0.5-6)의 pH를 갖는 것을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 B29
양상 B28에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 전달된 철-풍부 용액은 1 이상 (예를 들어, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 또는 6 초과이며, 선택적으로 pH는 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 또는 6미만이며, 이러한 pH는 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위하여 결합될 수 있음, 예를 들어 1-6) 의 pH인 것을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 B30
양상 B29에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 전달된 철-풍부 용액은 2 내지 6 (예를 들어, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 또는 6 초과이며, 선택적으로 pH는 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 또는 6 미만이며, 이러한 pH는 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위하여 결합될 수 있음) 범위에서 선택되는 pH인 것을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 B31
양상 B27-30 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 전달된 철-풍부 용액은 Fe3+ 이온의 농도보다 더 높은 농도의 Fe2+ 이온을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B32
양상 B27-31 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 전달된 철-풍부 용액은 Fe3+ 이온 농도 대 Fe2+ 이온 농도의 비가 0.01 이하 (예를 들어, 0.01, 0.0075, 0.005, 0.0025, 또는 0.001이하이며, 선택적으로 상기 비는 0.0075, 0.005, 0.0025, 또는 0.001 이상이며, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위하여 결합될 수 있음, 예를 들어 0.001-0.1) 인 것을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 B33
양상 B27-32 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 전달된 철-풍부 용액은 제2 환원전극 챔버로 직접적 또는 간접적으로 전달되고;
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극 존재 하 제2환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B34
양상 B33에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 전달된 철-풍부 용액의 적어도 70%는 제2 환원전극 챔버로 직접적 또는 간접적으로 전달되는, (예를 들어, 적어도 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 99%, 또는 100%, 선택적으로 이러한 값은 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 99%, 또는 100% 미만이며, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위하여 결합될 수 있음, 예를 들어 70-99%) 방법 또는 시스템.
양상 B35
양상 B34에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 전달된 철-풍부 용액의 적어도 90%는 제2 환원전극 챔버로 직접적 또는 간접적으로 전달되는, 방법 또는 시스템.
양상 B36
양상 B33-35 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 전기화학적 환원 단계는 소비된 제2환원전극액을 형성하고,
상기 소비된 제2환원전극액은 상기 전달된 철-풍부 용액의 철 이온 농도보다 낮은 철 이온 농도를 가지고;
상기 소비된 제2환원전극액의 적어도 부분은 제2 산화전극 챔버로 제공되고;
제2 전기화학적 셀은 제2산화전극 존재 하 제2산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B37
양상 B36 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 전기화학적 환원 단계가 완료 또는 종료될 때 상기 소비된 제2환원전극액이 형성되는, 방법 또는 시스템.
양상 B38
양상 B36 또는 B37에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 소비된 제2환원전극액은 상기 전달된 철-풍부 용액의 철 이온 농도의 60% 내지 70% (예를 들어, 62-68%, 64-66%, 60-65%, 또는 65-70%) 의 철 이온 농도인 것을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 B39
양상 B37에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 전기화학적 환원 단계는 제2 환원전극액에서의 철 이온 농도가 전달된 철-풍부 용액의 철 이온 농도의 60% 내지 70% (예를 들어, 62-68%, 64-66%, 60-65%, 또는 65-70%) 로 감소될 때 완료 또는 종료되는, 방법 또는 시스템.
양상 B40
양상 B27-33에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 전달된 철-풍부 용액의 제1부분이 제2 환원전극 챔버로 직접적 또는 간접적으로 전달되고;
상기 전달된 철-풍부 용액의 제2부분이 제2산화전극 챔버로 직접적 또는 간접적으로 전달되고;
제2 전기화학적 셀이 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버를 포함하고 제2전기화학셀이 제2 산화전극의 존재 하 제2산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B41
양상 B40에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1부분은 상기 전달된 철-풍부 용액의 25 부피% 내지 45 부피% (예를 들어, 30-40 부피%, 32-38 부피 %, 25-35 부피 %, 또는 35-45 부피 %)이며, 상기 제2부분은 상기 전달된 철-풍부 용액의 55 부피% 내지 75 부피% (예를 들어, 60-70 부피%, 62-68 부피 %, 55-65 부피 %, 또는 65-75 부피 %)인,
방법 또는 시스템.
양상 B42
양상 B40 또는 B41에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1부분은 상기 전달된 철-풍부 용액의 Fe2+ 의 25몰% 내지 45몰% (예를 들어, 30-40 몰%, 32-38 몰%, 25-35 몰%, or 35-45 몰%)를 포함하며, 상기 제2부분은 상기 전달된 철-풍부 용액의 Fe2+ 의 55몰% 내지 75몰% (예를 들어, 60-70 몰%, 62-68 몰%, 55-65 몰%, or 65-75 몰%) 를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B43
양상 B27-42에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 이동 단계는 상기 전달 단계 이전에 추가적으로 철-풍부 용액의 제거된 부분을 처리, 이로 인해 처리된 철-풍부 용액을 형성하는 처리;를 추가적으로 포함하고, 및
상기 전달된 철-풍부 용액은 상기 처리된 철-풍부 용액의 적어도 부분을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B44
양상 B43에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 처리 단계는 철-풍부 용액의 제거된 부분의 pH를 올리기;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B45
양상 B43 또는 B44에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 처리 단계는
철-풍부 용액의 제거된 부분의 존재 하 금속 철을 제공함으로써 철-풍부 용액의 제거된 부분의 pH를 올리기;를 포함하고
철-풍부 용액의 제거된 부분 및 제공된 금속 철 사이의 반응은 철-풍부 용액의 제거된 부분에서 양성자를 소비하는,
방법 또는 시스템.
양상 B46
양상 B45에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
철-풍부 용액의 제거된 부분의 pH를 올리기는,
철-풍부 용액의 제거된 부분의 존재 하 금속 철을 제공 이전에 및/또는 제공과 함께,
철-풍부 용액의 제거된 부분의 존재 하 마그네타이트를 제공을 추가적으로 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B47
양상 B45 또는 B46에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
철-풍부 용액의 제거된 부분과 제공된 금속 철 사이의 반응은 화학적으로 H2가스를 생성하고,
상기 방법은 추가적으로 화학적-생성된 H2 가스 수집을 추가적으로 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B48
양상 B43-47에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
처리된 Fe2+ (ferrous) 용액은 2 내지 7 미만의 범위에서 선택되는 pH를 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 B49
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은
제2 산화전극액에서 제2 Fe3+ 이온을 형성하기 위해 Fe2+ 이온을 전기화학적 산화;를 포함하고
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버를 포함하고,
제2 전기화학적 셀은 제2산화전극 존재 하 제2산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B50
양상 B49에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 철-도금 서브시스템에서 용해 서브시스템으로의 제1 재활용 용액을 재활용;을 포함하며,
상기 재활용 용액은 제2 산화전극액에서 형성되는 제2 Fe3+ 이온을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B51
양상 B50에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 재활용 단계는 제2 전기화학적 환원 단계가 완료 또는 종료된 후 수행되는,
방법 또는 시스템.
양상 B52
양상 B50 또는 B51에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 재활용 용액은 제1 용해 탱크로 제공되고,
상기 용해 단계는 철-함유 광석과 산성의 철-염 용액을 포함하는 상기 제1 용해 탱크에서 수행되는,
방법 또는 시스템.
양상 B53
양상 B50, B51 또는 B52에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 재활용 용액은 제2 전기화학적 셀로부터의 제2 산화전극액 및 제2 환원전극액의 적어도 부분을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B54
양상 B27-53에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극액이 그 전체 철 이온 농도가 (i) 전달된 철-풍부 용액 또는 (ii) 생산된 철-풍부 용액에서의 철 이온 농도의 60% 내지 70% (선택적으로 50 내지 80%; 선택적으로 62-68%, 64-66%, 60-65%, 또는 65-70%)가 되는 것을 특징으로 할 때,
제2 전기화학적 환원 단계가 완료 또는 종료되는,
방법 또는 시스템.
양상 B55
임의의 선행하는 양상들
양상 B56
임의의 선행하는 양상들
양상 B57
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 전기화학적 셀의 제2 산화전극에서의 형성된 Fe 금속의 평균 두께가 1mm 내지 10mm (예를 들어, 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, 또는 8-10의 평균 두께 (mm))의 범위로부터 선택될 때,
제2 전기화학적 환원 단계가 완료 또는 종료되는,
방법 또는 시스템.
양상 B58
임의의 선행하는 양상들
양상 B59
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
철-도금 서브시스템은 제2 환원전극액이 제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극 챔버와 제1 순환 탱크 사이를 순환하도록 구성되는 제1순환 탱크를 포함하며;
상기 철-도금 서브시스템은 제2 산화전극액이 제2 전기화학적 셀의 제2 산화전극 챔버와 제2 순환탱크 사이를 순환하도록 구성되는 제2 순환 탱크를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B60
양상 B59에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 환원전극 챔버로 간접적으로 전달되는 철-풍부 용액은 제1 순환 탱크로 전달되는, 방법 또는 시스템.
양상 B61
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 전기화학적 셀은 제2분리기로 분리되는 제2 환원전극액과 제2 산화전극액을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B62
양상 B61에 있어서,
제2 분리기는 PEM 또는 음이온 교환막(AEM) 또는 미세다공성 분리막인, 방법 또는 시스템.
양상 B63
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 전기화학적 셀은 제2 전기화학적 셀과 상이한 전류 밀도에서 작동되는, 방법 또는 시스템.
양상 B64
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1전기화학적 셀은 제2 전기화학적 셀과 상이한 전류 밀도에서 동시에 작동하는,
방법 또는 시스템.
양상 B65
양상 B63 또는 B64에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 전기화학적 셀은 제2 전기화학적 셀보다 높은 전류 밀도에서 작동되는,
방법 또는 시스템.
양상 B66
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1전기화학적 셀은 0.1 내지 2 A/cm2 (예를 들어, 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, 또는 1.5-2의 전류 밀도(A/cm2)) 범위에서 선택되는 전류 밀도에서 작동되고,
제2 전기화학적 셀은 20 내지 300 m A/cm2 (예를 들어, 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, 또는 250-300의 전류 밀도(A/cm2)) 의 범위에서 선택되는 전류 밀도에서 작동되는,
방법 또는 시스템.
양상 B67
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법은 상기 방법을 적어도 5 사이클 (예를 들어, 적어도 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 50, 또는 100 사이클, 선택적으로 사이클은 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 50, 100, 또는 150 미만이고, 각각의 이러한 값은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 5-150) 반복하는 것을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B68
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 철-함유 광석은 하나 이상의 산화철 물질을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B69
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 하나 이상의 산화철 물질은 헤마타이트, 마그헤마이트, 페리하이드라이트, 리모나이트, 마그네타이트, 지오타이트, 아카가나이트, 레피도크로사이트, 페록시하이트 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B70
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 용해 단계는 철-함유 광석에 마그네타이트를 용해;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B71
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법은 H2 가스 생성; 및 생성된 H2 가스 수집;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B72
양상 B47 또는 B71에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
수집된 H2 가스의 적어도 부분이 산화되어 철 함유 광석을 열적 환원하는 공정에서 환원제로 사용하는,
방법 또는 시스템.
양상 B73
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 제1 환원전극에서 Fe 금속이 전기도금되는 것을 방지하기 위해 제1 전기화학 셀을 전기적으로 제어;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B74
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 전기화학적 셀은 40 oC 내지 80 oC (예를 들어, 45-75 oC, 50-70 oC, 55-65 oC, 40-55 oC, 55-70 oC, 40-70 oC, 또는 50-80 oC) 범위에서 선택되는 온도에서 가동하는,
방법 또는 시스템.
양상 B75
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극액과 제2 산화전극액을 포함하며;
제2 산화전극액은 제2 환원전극액보다 낮은 pH를 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 B76
양상 B75에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 산화전극액의 pH는 Fe(III)(OH)2의 용해도 한계치의 pH보다 낮은,
방법 또는 시스템.
양상 B77
양상 B75 또는 B76에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 환원전극액은 제2 전기화학적 환원 단계 동안 6 미만 (예를 들어, 6, 5.5, 5, 4.5, 4, 3.5, 3, 2.5, 2, 1.5, 1, 0.5, 0, -0.5, 또는 -1 미만이고, 선택적으로 pH는 적어도 5.5, 5, 4.5, 4, 3.5, 3, 2.5, 2, 1.5, 1, 0.5, 0, -0.5, 또는 -1이며, 모든 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 -1 내지 6)의 pH를 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 B78
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제거된 Fe 금속은 적어도 99중량% (예를 들어, 적어도 99 중량%, 적어도 99.5 중량%, 적어도 99.9 중량%, 또는 100 중량%) Fe를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B79
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 산화전극은 납, 납 산화물, 망간 산화물, 혼합 금속 산화물, 이리듐 산화물, 루테늄 산화물, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 조성물을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 B80
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 환원전극은 탄소, 흑연, 티타늄, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 조성물을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 B81
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 산화전극은 탄소, 흑연, 납, 납 산화물, 혼합 금속 산화물, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 조성물을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 B82
선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 환원전극은 강철(steel), 저탄소강, 스테인리스 스틸, 구리, 구리 합금 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 조성물을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 B83
용해 탱크 및 상기 용해 탱크에 유체적으로 연결되는 제1 전기화학적 셀을 갖는 용해 서브시스템으로,
상기 제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리시키는 제1 분리기를 포함하고,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과 다른 조성을 가지는, 용해 서브시스템;
상기 용해 서브 시스템과 유체적으로 연결되고 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템;
상기 용해 서브 시스템과 상기 철-도금 서브 시스템 사이 제1 서브시스템-간 유체적 연결로써,
상기 용해 탱크는 철-함유 광석을 갖는 공급 원료를 받고,
상기 용해 탱크는 용해된 제1 Fe3+ 이온을 생성하기 위해 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해하는 산성의 철-염 용액을 포함하고,
제1 Fe3+ 이온은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극에서 전기화학적으로 환원되고,
형성된 Fe2+ 이온은 제1 서브시스템-간 유체적 연결을 통해 용해 서브시스템에서 철-도금 서브시스템으로 이동하며,
제2 전기화학적 셀은 전달된 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1 부분을 Fe 금속으로 환원시키는 제2 환원전극을 포함하며,
Fe 금속은 제2 전기화학적 셀로부터 제거되는, 제1 서브시스템-간 유체적 연결;을 포함하는, 철 생산 시스템.
양상 B84
양상 B83에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버를 포함하며,
제2 전기화학적 셀은 제2 산화전극의 존재 하 제2 산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 B85
양상 B84에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
Fe2+ 이온은 제2 산화전극액에서 Fe3+ 이온으로 산화되는,
방법 또는 시스템.
양상 B86
양상 B83-85에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 용해 시스템은 형성된 Fe2+ 이온을 갖는 철-풍부 용액을 생산하며,
시스템은 생성된 철-풍부 용액의 적어도 부분을 제거하고, 철-풍부 용액의 상기 부분을 처리하여, 이로 인해 처리된 철-풍부 용액을 형성하는 전이 서브시스템;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B87
양상 B83-87에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
상기 시스템은 제1 재활용 용액을 제2 전기화학적 셀로부터 용해 서브시스템으로 재활용하도록 구성되는, 소비된 전해질 재활용 시스템을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B88
양상 B87에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
제1 재활용 용액은 제2 산화전극액의 적어도 부분과 제2 환원전극액의 적어도 부분을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B89
양상 B87에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
형성된 Fe2+ 이온의 Fe 금속으로의 환원이 완료 또는 종료된 후,
제1 재활용 용액은 제2 산화전극액의 적어도 부분과 제2 환원전극액의 적어도 부분을 혼합함으로써 형성되는, 방법 또는 시스템.
양상 B90
제1전기화학적 셀은 제1산화전극의 존재 하 H2 가스를 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하는, 철-함유 광석을 갖는 공급 원료를 제1 전기화학적 셀을 포함하는 용해 서브시스템에 제공;
용해된 제1 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성하도록 철-함유 광석의 적어도 부분을 산을 이용하여 용해;
제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버에 제공;
Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극액의 상기 Fe3+ 이온을 제1 전기화학적 환원;
형성된 Fe2+ 이온을 용해 서브시스템에서 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템으로 이동;
제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극에서 이동된 형성된 Fe2+ 이온의 제1부분을 제2 전기화학적 환원; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거, 이로 인해 철 생산;
을 포함하는, 철 생산 방법.
양상 B91
양상 B90에 있어서 또는 선행하는 양상들 중 어느 하나에 있어서,
전기화학적으로 양성자를 생성하기 위해 제1 산화전극에서 H2 가스를 산화;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 B92
상기 또는 하기 양상들에 있어서,
산성의 철-염 용액에서의 양성자 농도 (선택적으로, 정상 상태 양성자 농도)가 (선택적으로 용해 단계가 수행되는 대부분의 시간 동안 그 임계치 위에 있은 후에) 0.4M (선택적으로, 0.3M, 선택적으로, 0.2M, 선택적으로, 0.1M) 이하일 때,
용해 단계가 종료되는, 방법 또는 시스템.
양상 B93
상기 또는 하기 양상들에 있어서,
산성의 철-염 용액 및/또는 생산된 철-염 용액에서 제1 환원전극액에서의 전체 철 이온 농도가 1M, 선택적으로 2M, 선택적으로 3M, 선택적으로 4M, 1M 내지 4M 사이의 포괄적으로 선택적으로 임의의 값 또는 범위가 되는 원하는 최대값 (선택적으로, 정상 상태 값) 일 때,
용해 단계가 종료되는, 방법 또는 시스템.
양상 C1a
제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극의 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하는,
철-함유 광석 및 하나 이상의 불순물을 갖는 공급 원료를 제1 전기화학적 셀을 포함하는 용해 서브시스템에 제공;
용해된 제1 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성하도록 철-함유 광석의 적어도 부분을 산을 이용하여 용해;
제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버에 제공;
Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극액의 상기 Fe3+ 이온을 제1 전기화학적 환원;
형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분 및 상기 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 갖는 철-풍부 용액을 용해 서브시스템에서 생산;
철-풍부 용액으로부터 상기 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 제거하기 위해 철-풍부 용액의 적어도 제1부분을 처리;로, 이로 인해 상기 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 갖는 처리된 철-풍부 용액을 형성;으로,
상기 처리 단계는 철-풍부 용액의 pH를 초기 pH에서 조정된 pH로 올리기, 이로 인해 처리된 철-풍부 용액에서 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 침전;을 포함하는, 철 풍부 용액의 적어도 제1부분을 처리;
처리된 철-풍부 용액의 적어도 제1부분을 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템으로 전달;
제2 전기화학적 셀의 제2 환원 전극에서 전달된 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1 부분을 Fe 금속으로 제2 전기화학적 환원; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거, 이로 인해 철 생산;
을 포함하는, 철 생산 방법.
양상 C1b
제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극의 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하는,
제1 용해 탱크 및 상기 제1 용해 탱크에 유체적으로 연결된 제1 전기화학적 셀을 갖는 용해 서브시스템; 및
용해 서브시스템에 유체적으로 연결되고 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템; 및
제1 용해 탱크는 하나 이상의 철-함유 광석 및 하나 이상의 불순물을 갖는 공급 원료를 받고,
제1 용해 탱크는 산성의 철-염 용액에서 용해된 제1 Fe3+ 이온을 생성하기 위해 하나 이상의 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해하는 산성의 철-염 용액을 포함하고,
제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분이 제1 환원전극 챔버로 제공되고,
제1 Fe3+ 이온은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극에서 전기화학적으로 환원되고,
형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분 및 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 갖는 철-풍부 용액은 용해 서브시스템에서 형성되고;
철-풍부 용액의 적어도 부분은 철-풍부 용액에서 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 제거하기 위해 제1 불순물 제거 서브시스템에 제공되어, 이로 인해 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 갖는 처리된 철-풍부 용액을 형성하고,
여기서 하나 이상의 불순물의 제거된 부분 침전을 위해 초기 pH에서 조정된 pH로 제1 불순물 제거 서브시스템에서 철-풍부 용액의 pH가 오르며,
처리된 철-풍부 용액의 적어도 제1부분은 제1 불순물-제거 서브시스템에서 철-도금 서브시스템으로 전달되고,
제2 전기화학적 셀은 이동된 전달된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 Fe 금속으로 환원하기 위해 제2 환원전극을 포함하고,
Fe 금속은 제2 전기화학적 셀로부터 제거되는,
제1 불순물-제거 서브시스템;을 포함하는, 철 생산 시스템.
양상 C2
양상 C1a 또는 C1b에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해;는 불용성 불순물을 생성하고;
상기 방법은 상기 불용성 불순물의 적어도 부분을 분리 및 제거;를
추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 C3
양상 C2에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 불용성 불순물의 적어도 부분을 제거;는 상기 불용성 불순물을 여과 및/또는 분리함으로써 수행되는,
방법 또는 시스템.
양상 C4
양상 C1a 또는 C1b에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 불용성 불순물은 석영, 석고, 및 이들의 임의의 조합을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 C5a
선행하는 양상들에 있어서,
상기 조정된 pH는 상기 하나 이상의 불순물의 침전 pH 이상 및 Fe2+ 이온의 침전 pH 미만이며, 이로 인해 상기 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 침전시키는,
방법 또는 시스템.
양상 C5b
선행하는 양상들에 있어서,
상기 조정된 pH는 상기 하나 이상의 불순물의 용해도 한계치 이상 및 Fe2+ 이온의 용해도 한계치 미만이며, 이로 인해 상기 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 침전시키는,
방법 또는 시스템.
양상 C6a
양상 C5a 또는 C5b에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 조정된 pH는 알루미늄, 티타늄, 및 인산염 이온의 침전 pH 이상 및 Fe2+ 이온의 침전 pH 미만이며, 이로 인해 알루미늄, 티타늄, 및 인-함유 이온의 적어도 부분을 침전시키는,
방법 또는 시스템.
양상 C6b
양상 C5a 또는 C5b에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 조정된 pH는 알루미늄, 티타늄, 및 인산염 이온의 용해도 한계치 이상 및 Fe2+ 이온의 용해도 한계치 미만이며, 이로 인해 알루미늄, 티타늄, 및 인-함유 이온의 적어도 부분을 침전시키는,
방법 또는 시스템.
양상 C7
양상 C3-C6에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 수산화티타늄, 수산화알루미늄, 인산알루미늄, 및/또는 인산철을 침전;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 C8
양상 C3-C7에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 침전된 불순물의 적어도 부분을 제거;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 C9
양상 C1-C8에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 조정된 pH는 3 내지 7 (예를 들어, 3-6.5, 3-6, 3-5.5, 3-5, 3-7 미만, 3-6, 3-5, 3-4, 4-7, 4- 7 미만, 4-6, 4-5, 5-7, 5-7 미만, 5-6, 6-7, or 6-7 미만) 범위에서 선택되는,
방법 또는 시스템.
양상 C10
양상 C9에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 조정된 pH는 4 내지 7 미만 (예를 들어, 4-6.5, 4-5.5, 4-7 미만, 4-6, 4-5, 5-7 미만, 5-6, or 6-7 미만) 범위에서 선택되는, 방법 또는 시스템.
양상 C11
양상 C1-C10에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 조정된 pH는 다른 불순물의 침전으로 발생하는 콜로이드 실리카의 응고를 또한 초래하고;
상기 방법은 상기 콜로이드 실리카의 적어도 부분의 제거를 추가적으로 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 C12
양상 C1-C11에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
pH를 올리기의 단계는 철-풍부 용액의 존재 하 금속 철 및/또는 산화철 물질을 제공;을 포함하고,
철-풍부 용액의 제거된 부분 및 제공된 금속 철 및/또는 산화철 물질 사이 반응은 철-풍부 용액에서 양성자를 소비하여 그 pH를 올리는,
방법 또는 시스템.
양상 C13
양상 C12에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
pH를 올리기의 단계는 먼저 철-풍부 용액의 존재 하 산화철 물질을 제공; 및 뒤따르는 철-풍부 용액의 존재 하 금속 철을 제공;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 C14
양상 C12에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
철-풍부 용액의 제거된 부분의 pH를 올리기는
철-풍부 용액의 제거된 부분의 존재 하 금속 철을 제공; 이전에 및/또는 제공;과 함께
철-풍부 용액의 제거된 부분의 존재 하 산화철 물질을 제공;을 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 C15
양상 C12-14에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 산화철 물질은 마그네타이트를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 C16
양상 C12-15에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
제공된 산화철 물질은 열적 환원된 철-함유 광석을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 C17
양상 C12-16에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 금속철은 제2 전기화학적 환원 단계에서 형성된 Fe 금속의 부분인,
방법 또는 시스템.
양상 C18
선행하는 양상들에 있어서,
처리된 Fe2+ (ferrous) 제품 용액은
1mM 미만 (예를 들어, 0.2 M, 0.15 M, 0.12 M, 0.1 M, 80 mM, 60 mM, 50 mM, 20 mM, 10 mM, 5 mM, 1 mM 미만이고, 선택적으로 알루미늄 이온 농도는 0mM 이거나 적어도 0.15 M, 0.12 M, 0.1 M, 80 mM, 60 mM, 50 mM, 20 mM, 10 mM, 5 mM, 1 mM이며, 각각의 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0-0.2M 또는 1-0.1M) 의 알루미늄 이온 농도; 및/또는
1mM 미만 (예를 들어, 0.2 M, 0.15 M, 0.12 M, 0.1 M, 80 mM, 60 mM, 50 mM, 20 mM, 10 mM, 5 mM, 1 mM 미만이고, 선택적으로 알루미늄 이온 농도는 0mM 이거나 적어도 0.15 M, 0.12 M, 0.1 M, 80 mM, 60 mM, 50 mM, 20 mM, 10 mM, 5 mM, 1 mM이며, 각각의 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0-0.2M 또는 1-0.1M)의 인-함유 이온 농도;를 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 C19
선행하는 양상들에 있어서,
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버, 제2 산화전극의 존재 하 제2 산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버, 및 제2 산화전극액으로부터 제2 환원전극액을 분리하는 제2 분리기를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 C20
양상 C19에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
처리된 철-풍부 용액은 제2 환원전극 챔버에 직접적 또는 간접적으로 전달되는,
방법 또는 시스템.
양상 C21
양상 C20에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
처리된 철-풍부 용액은 제2 산화전극 챔버로는 전달되지 않는,
방법 또는 시스템.
양상 C22
양상 C20 또는 C21에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
상기 방법은 생산된 철-풍부 용액의 제2부분을 제2 산화전극 챔버에 직접적 또는 간접적으로 전달;을 포함하며
철-풍부 용액의 제2부분은 처리되지 않거나, 철-풍부 용액의 제1부분과는 다른 처리를 받는,
방법 또는 시스템.
양상 C23
선행하는 양상들에 있어서,
철-풍부 용액은 콜로이드 실리카를 포함하고,
처리 단계는 콜로이드 실리카의 적어도 부분을 제거;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 C24
양상 C23에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
콜로이드 실리카 제거는 응집된 콜로이드 실리카를 생성하기 위해 상기 콜로이드 실리카의 적어도 부분의 응집;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 C25
양상 C23 또는 C24에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
콜로이드 실리카 제거는 콜로이드 실리카의 응집을 용이하게 하기 위해 철-풍부 용액에 폴리에틸렌 산화물을 첨가, 이로 인해 응집된 콜로이드 실리카 생성;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 C26
양상 C23-25에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
콜로이드 실리카 제거는 여과, 침전, 및/또는 임의의 고-액 분리 공정에 의해 수행되는, 방법 또는 시스템.
양상 C27
선행하는 양상들에 있어서,
처리된 철-풍부 용액은 10mM 이하 (예를 들어, 10 mM, 8 mM, 6 mM, 5 mM, 4 mM, 2 mM, 또는 1 mM 이하이며, 선택적으로 콜로이드 실리카 함량은 0mM 이거나 적어도 8 mM, 6 mM, 5 mM, 4 mM, 2 mM, 또는 1 mM 이고, 각각의 이러한 값은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0-10 mM, 또는 1-8 mM) 의 콜로이드 실리카 함량을 갖는, 방법 또는 시스템.
양상 C28
선행하는 양상들에 있어서,
상기 초기 pH는 0.5 내지 1.5 (예를 들어, 0.5-1, 1-1.5, 0.8-1.3, 또는 0.7-1.4) 범위 내인, 방법 또는 시스템.
양상 C29
선행하는 양상들에 있어서,
철-풍부 용액은 초기 pH를 특징으로 하며, Fe3+ 이온보다 높은 Fe2+ 이온 농도를 갖는, 방법 또는 시스템.
양상 C30
선행하는 양상들에 있어서,
철-풍부 용액은 Fe3+ 이온 농도 대 Fe2+ 이온 농도의 비가 0.1 이하 (예를 들어, 0.1, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03, 0.02, 0.01, 또는 0.005이하이며, 선택적으로 상기 비는 적어도 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03, 0.02, 0.01, 또는 0.005이고, 각각의 이러한 값은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.005-0.1, 또는 0.02 내지 0.08)인 것을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 C31
선행하는 양상들에 있어서,
처리된 철-풍부 용액의 pH가 도금 동안 감소하는, 방법 또는 시스템.
양상 C32
양상 C31에 있어서 또는 선행하는 양상들에 있어서,
도금 동안의 pH가 2 내지 6 (예를 들어, 2-6, 2-5, 2-4, 2-3, 3-6, 3-5, 3-4, 4-6, 또는 4-5) 범위 내인, 방법 또는 시스템.
양상 C33
선행하는 양상들에 있어서,
공급 원료가 마그네타이트, 헤마타이트, 고에타이트, 및 이들의 임의의 조합을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 C34
선행하는 양상들에 있어서,
하나 이상의 불순물이 알루미늄 화합물, 티타늄 화합물, 인산염 화합물, 실리콘 화합물, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 C35
선행하는 양상들에 있어서,
공급 원료는 하나 이상의 불순물을 1 내지 50 중량% (예를 들어, 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, 또는 40-50 의 중량%) 범위에서 선택된 농도로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 C36
선행하는 양상들에 있어서,
상기 방법은 pH 조정, 조성 변경, 및/또는 불순물 제거를 위해 제2 전기화학적 셀로부터 제2 산화전극액 및/또는 제2 환원전극액을 제2 처리; 단계를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 C37
선행하는 양상들에 있어서,
제2 처리; 단계는 제2 전기화학적 환원 단계가 완료 또는 종료된 후 수행되는,
방법 또는 시스템.
양상 C38a
선행하는 양상들에 있어서,
제거된 Fe 금속은
0.1 중량% 미만 또는 0.5 중량% 미만의 알루미늄 농도 (선택적으로, 0.5, 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 또는 0.005 중량% 미만의 알루미늄 농도이며, 선택적으로, 적어도 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 또는 0.005 중량%이며, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.005-0.5 또는 0.01 내지 0.1); 및/또는
0.01 중량% 미만 또는 0.5 중량% 미만의 인 이온 농도 (선택적으로, 0.5, 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 0.008, 0.006, 0.005, 0.002, 또는 0.001 중량% 미만의 인 농도이며, 선택적으로, 적어도 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 0.008, 0.006, 0.005, 0.002, 0.001, 또는 0.0005 중량%이며, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.0005-0.5 또는 0.001-0.01) 를 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 C38b
선행하는 양상들에 있어서,
제거된 Fe 금속은
0.1 중량% 미만 또는 0.5 중량% 미만의 알루미늄 농도 (선택적으로, 0.5, 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 또는 0.005 중량% 미만의 알루미늄 농도이며, 선택적으로, 적어도 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 또는 0.005 중량%이며, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.005-0.5 또는 0.01 내지 0.1);
0.01 중량% 미만 또는 0.5 중량% 미만의 인 이온 농도 (선택적으로, 0.5, 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 0.008, 0.006, 0.005, 0.002, 또는 0.001 중량% 미만의 인 농도이며, 선택적으로, 적어도 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 0.008, 0.006, 0.005, 0.002, 0.001, 또는 0.0005 중량%이며, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.0005-0.5 또는 0.001-0.01); 및/또는
1 중량% 미만 또는 0.5 중량% 미만의 망간 이온 농도 (선택적으로, 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, 또는 0.001 중량% 미만의 망간 이온 농도이며, 선택적으로 적어도 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 0.008, 0.006, 0.005, 0.002, 0.001, 또는 0.0005 중량%이고, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.0005-0.5 또는 0.001-0.01) 를 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 C39
선행하는 양상들에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과는 다른 조성을 가지는, 방법 또는 시스템.
양상 C40
제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극의 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하는,
제1 용해 탱크 및 상기 제1 용해 탱크에 유체적으로 연결된 제1 전기화학적 셀을 갖는 용해 서브시스템; 및
용해 서브시스템에 유체적으로 연결되고 제2 전기화학적 셀을 갖는 철-도금 서브시스템; 및
제1 용해 탱크는 하나 이상의 철-함유 광석 및 하나 이상의 불순물을 갖는 공급 원료를 받고,
제1 용해 탱크는 산성의 철-염 용액에서 용해된 제1 Fe3+ 이온을 생성하기 위해 하나 이상의 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해하는 산성의 철-염 용액을 포함하고,
제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 갖는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분이 제1 환원전극 챔버로 제공되고,
제1 Fe3+ 이온은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극에서 전기화학적으로 환원되고,
형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분 및 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 갖는 철-풍부 용액은 용해 서브시스템에서 형성되고;
철-풍부 용액의 적어도 부분은 철-풍부 용액에서 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 제거하기 위해 제1 불순물 제거 서브시스템에 제공되어, 이로 인해 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 갖는 처리된 철-풍부 용액을 형성하고,
여기서 하나 이상의 불순물의 제거된 부분 침전을 위해 초기 pH에서 조정된 pH로 제1 불순물 제거 서브시스템에서 철-풍부 용액의 pH가 오르며,
처리된 철-풍부 용액의 적어도 제1부분은 제1 불순물-제거 서브시스템에서 철-도금 서브시스템으로 전달되고,
제2 전기화학적 셀은 이동된 전달된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 Fe 금속으로 환원하기 위해 제2 환원전극을 포함하고,
Fe 금속은 제2 전기화학적 셀로부터 제거되는,
제1 불순물-제거 서브시스템;을 포함하는, 철 생산 시스템.
양상 D1a
제1 용해 탱크에서, 제1 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해하기 위해 제1 철-함유 광석을 산과 접촉, 이로 인해 용해된 제1 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성;
제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극의 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하는,
제1 용해 탱크와 제1 전기화학적 셀의 제1 환원전극 챔버 사이에서 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 순환시키는 것, 이로 인해 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버의 제1 환원전극으로 제공;
제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원전극에서 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 제1 전기화학적 환원;
상기 순환시키는 것의 단계는 제1 환원전극액으로부터 산성의 철-염 용액으로 전기화학적으로 생성된 양성자의 적어도 부분과 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 제공;을 포함하는,
제1 전기화학적 셀에서 양성자를 전기화학적 생성;
용해 서브시스템은 제1 용해 탱크와 제1 전기화학적 셀을 포함하는,
용해 서브시스템에서 형성된 Fe2+ 이온을 갖는 제1 철-풍부 용액을 생산;
철-도금 서브시스템은 제2 전기화학적 셀을 포함하는,
제1 철-풍부 용액의 적어도 부분을 철-도금 서브시스템으로 이동;
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버, 제2 산화전극의 존재 하 제2 산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제2 분리기를 포함하는,
제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극에서 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1 부분을 Fe 금속으로 제2 전기화학적 환원; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거, 이로 인해 철 생산;
을 포함하는, 철 생산 방법.
양상 D1b
제1 용해 탱크에서, 철-함유 광석은 상기 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해시키기 위해 산과 접촉하여 이로 인해 용해된 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성하고,
제1 순환 서브시스템은 제1 용해 탱크와 제1 전기화학적 셀의 제1 환원전극 챔버 사이에서 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 순환시켜, 이로 인해 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버의 제1 환원전극액으로 제공하고,
제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극의 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하고,
제1 전기화학적 셀은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원 전극에서 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 전기화학적으로 환원하고,
제1 전기화학적 셀은 전기화학적으로 양성자를 생성하고 전기화학적으로 생성된 양성자를 환원전극액으로 제공하고, 제1 순환 시스템은 제1환원전극액으로부터 산성의 철-염 용액으로 전기화학적으로 생성된 양성자를 제공하고, 및
제1 서브시스템에서 생산된 철-풍부 용액은 형성된 Fe2+ 이온을 포함하는,
용해 서브시스템이 제1 용해 탱크, 제1 전기화학적 셀, 및 제1 순환 서브시스템을 포함하는, 철-풍부 용액을 생산하는 용해 서브시스템;
철-풍부 용액의 적어도 부분을 철-도금 서브시스템으로 이동하는 제1 서브시스템-간 유체적 연결을 포함하는 전이 서브시스템;
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버, 제2 산화전극의 존재 하 제2 산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버, 및 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제2 분리기를 포함하고,
이동된 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1부분은 제2 환원전극에서 Fe 금속으로 전기화학적으로 환원되는,
제2 전기화학적 셀을 포함하는 철-도금 서브시스템; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거하여, 이로 인해 철을 생산하는 철-제거 서브시스템;을 포함하는, 철 생산 시스템.
양상 D2
양상 D1a 또는 D1b에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 환원제의 존재 하 마그네타이트를 형성하기 위해 철-함유 광석에서 비(非)-마그네타이트 산화철 물질을 열적 환원, 이로 인해 열적-환원된 광석 형성;을 포함하고,
제1 용해 탱크에서 제1 철-함유 광석은 열적-환원된 광석을 포함하고,
용해 단계는 산성의 철-염 용액을 형성하기 위해 산을 사용하여 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D3
양상 D2에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 용해 단계 동안 전기화학적 셀로부터 산성의 철-염 용액으로의 상기 전기화학적으로 생성된 양성자를 갖는 환원전극액의 적어도 부분을 제공, 이로 인해 열적-환원된 광석의 존재 하 산성의 철-염 용액으로 전기화학적으로 생성된 양성자를 제공;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D4
양상 D3에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
용해 단계는 용해 탱크에서 수행되고;
상기 용해 탱크와 상기 전기화학적 셀은 유체적으로 연결되고;
산성의 철-염 용액은 용해 탱크와 전기화학적 셀 사이를 순환하는,
방법 또는 시스템.
양상 D5
양상 D4에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
용해 단계의 적어도 부분 도중, 모든 산성의 철-염 용액은 용해 탱크와 전기화학적 셀 사이를 순환하는,
방법 또는 시스템.
양상 D6
양상 D2-5에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
용해 동안 열적-환원된 광석과 산성의 철-염 용액 사이 반응은 물을 생성하여, 이로 인해 산성의 철-염 용액의 양성자를 소비하고;
제공된 전기화학적-생성된 양성자는 산성의 철-염 용액에서 소비된 양성자의 적어도 부분을 대체하는,
방법 또는 시스템.
양상 D7
양상 D2-6에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자는 용해 단계의 적어도 부분 동안 산성의 철-염 용액에 계속적으로 제공되는,
방법 또는 시스템.
양상 D8
양상 D2-7에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
산성의 철-염 용액은 열적-환원된 광석의 용해 동안 적어도 0.2M (예를 들어, 적어도 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 또는 5 M이며, 선택적으로 정상 상태 자유 양성자 농도는 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 5, or 6 M이고, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든지 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.2-6M) 의 정상 상태 자유 양성자 농도를 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D9
양상 D8에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
산성의 철-염 용액은 정상 상태 자유 양성자 농도가 0.2M 내지 3M의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D10
양상 D8 또는 D9에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
산성의 철-염 용액은 0.7 미만 (예를 들어, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0, -0.1, -0.5, 또는 -1 이하이고, 정상 상태 pH는 적어도 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0, -0.1, -0.5, 또는 -1이고, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든지 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 -1 내지 0.7 또는 0.1 내지 0.7 미만) 의 정상 상태 pH를 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D11
선행하는 양상에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자를 전기화학적 생성 단계는 제1 산화전극에서 물을 전기화학적으로 산화;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D12
선행하는 양상에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자를 제공 단계는 산화전극액으로부터 환원전극액으로 상기 분리기를 통해 전기화학적-생성된 양성자를 이송;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D13
선행하는 양상에 있어서,
상기 전기화학적 셀은 80% 초과 (예를 들어, 80%, 85%, 90%, 95%, 또는 99% 초과이고, 선택적으로 쿨롱 효율은 85%, 90%, 95%, 99%, 또는 100% 미만이며, 이러한 값들은 어떤 방식으로든지 범위를 형성하기 위하여 결합될 수 있음, 예를 들어 80-100%)의 쿨롱 효율을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D14
선행하는 양상에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자는 제1 환원전극액에서 적어도 부분적으로 산을 형성하는,
방법 또는 시스템.
양상 D15
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액으로 물을 제공;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D16
양상 D11-15에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제1 산화전극에서 산화된 물은 용해 단계 동안 철-함유 광석의 용해로 생성되는 물을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D17
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 제1 분리기를 통한 삼투 및/또는 막 증류 및/또는 플래시 증류를 통해 환원전극액으로부터 산화전극액으로 물을 제공;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D18
선행하는 양상에 있어서,
산화전극액은 환원전극액과는 다른 조성을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D19
선행하는 양상에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과는 다른 pH를 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D20
선행하는 양상에 있어서,
제1 환원전극액은 제1 산화전극액보다 낮은 pH를 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D21
선행하는 양상에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액의 용해된 염의 조성과는 다른 용해된 염의 조성을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D22
선행하는 양상에 있어서,
제1 산화전극액은 하나 이상의 용해된 Fe3+ (ferric) 철 염을 포함하고;
제1 산화전극액은 상기 하나 이상의 용해된 Fe3+ 철 염의 전체 농도가 제1 환원전극액의 전체 철 이온 농도 이상인 것을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D23
선행하는 양상에 있어서,
제1 환원전극액은 하나 이상의 지지 염을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D24
양상 D23에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제1 환원전극액은 0.1 내지 1M (예를 들어, 0.2 내지 0.8 M, 0.4 내지 0.6 M, 0.1 내지 0.4 M, 0.4 내지 0.8 M, 또는 0.8 내지 1 M) 범위에서 선택되는 하나 이상의 지지염 농도를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D25
양상 D23 또는 D24에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 하나 이상의 지지 염은 하나 이상의 금속 황산염 화합물 및/또는 하나 이상의 금속 염화물 화합물을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D26
양상 D25에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 하나 이상의 금속 황산염 화합물은 황산칼륨, 황산나트륨, 황산암모늄, 황산리튬, 염화칼륨, 염화나트륨, 염화암모늄, 염화리튬, 또는 이들의 조합을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D27
선행하는 양상에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과는 다른 하나의 산화환원(redox) 쌍인 것을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D28
선행하는 양상에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액보다 높은 용해된 염의 전체 농도를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D29
양상 D1-21 및 D23-27에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제1산화전극액은 제1 환원전극액보다 낮은 용해된 염의 전체 농도를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D30
양상 D1-21 및 D23-28에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
산화전극액은 Fe2+ 및 Fe3+ 이온이 필수적으로 부재한(free),
방법 또는 시스템.
양상 D31
선행하는 양상에 있어서,
환원전극액은 0.5 내지 5M 또는 1 내지 5M (예를 들어, 1-5 M, 1-4 M, 1-3 M, 0.5-5 M, 0.5-4 M, 2-4 M, 2-5 M, 1-2 M) 범위에서 선택되는 최대 철 이온 농도를 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D32
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 산화전극에서 산소 (O2)를 전기화학적으로 생성;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D33
선행하는 양상에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 분리기를 통해 제1 환원전극액으로 이온적으로 연결되는,
방법 또는 시스템.
양상 D34
양상 D33에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과 유체적으로 분리되는,
방법 또는 시스템.
양상 D35
선행하는 양상에 있어서,
상기 분리기는 이온교환막인,
방법 또는 시스템.
양상 D36
양상 D35에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 분리기는 양성자교환막 (PEM)인,
방법 또는 시스템.
양상 D37
선행하는 양상에 있어서,
생산된 철-풍부 용액은 0.5 내지 5M 또는 1 내지 5M (예를 들어, 1-5 M, 1-4 M, 1-3 M, 0.5-5 M, 0.5-4 M, 2-4 M, 2-5 M, 1-2 M) 범위에서 선택되는 전체 철 이온 농도를 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 D38
양상 D2-37에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
열적 환원 단계는 200 oC 내지 600 oC (예를 들어 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, 또는 500-600의 온도(oC)) 범위에서 선택된 고온에서 철-함유 광석의 상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질을 환원제에 노출, 이로 인해 상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질의 적어도 부분을 마그네타이트로 전환;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D39
양상 D2-38에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
환원제는 H2 가스를 포함하고,
상기 H2 가스의 적어도 부분은 철 금속과 산의 반응을 통해 화학적으로 생성; 및/또는 상기 H2 가스의 적어도 부분은 철 전기도금 공정의 기생(parasitic) 수소 발생(evolution) 반응을 통해 전기화학적으로 생성;되는,
방법 또는 시스템.
양상 D40
양상 D38에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 철-함유 광석은 열적 환원 단계 동안 열적-처리 시간 동안 고온에 노출되고,
철-함유 광석은 상기 열적-처리 시간 전체 동안 환원제에 노출되는,
방법 또는 시스템.
양상 D41
양상 D38에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
철-함유 광석은 열적 환원 단계 동안 열적-처리 시간 동안 고온에 노출되고,
철-함유 광석은 상기 열적-처리 시간의 부분 동안 환원제에 노출되는,
방법 또는 시스템.
(예를 들어, 에어-로스팅은 온도 상승 또는 철-함유 광석이 200 oC 내지 600 oC (예를 들어, 또는 이 200 oC 내지 600 oC에 대해 본원 다른 부분에서 기재된 어떠한 온도 범위에서든)에 노출되는 동안의 시간의 초기 부분 동안 수행될 수 있으며, 그 후 에어 로스팅으로부터 열적 환원으로 전환하기 위해 H2 가스를 도입할 수 있음.)
양상 D42
양상 D41에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 열적-처리 시간의 초기 부분 동안 철-함유 광석을 공기에 노출시킴으로써 철-함유 광석을 에어-로스팅(air-roasting);을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D43
선행하는 양상 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 에어-로스팅된 광석을 형성하기 위하여 200 ºC 내지 600 ºC (예를 들어, 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, 또는 500-600의 온도 (ºC)) 범위에서 선택된 온도에서 공기의 존재 하 철-함유 광석의 적어도 부분을 에어-로스팅;을 추가적으로 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D44
양상 D43에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 에어-로스팅 단계는 열적 환원 단계 이전에 또는 열적 환원 단계와는 별도로 수행되고,
에어-로스팅된 광석은 에어-로스팅 이전에 열적 환원되지 않는,
방법 또는 시스템.
양상 D45
양상 D43 또는 D44에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
열적 환원 단계는 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 형성하기 위해 에어-로스팅된 광석을 열적 환원;을 포함하고,
상기 에어-로스팅된 광석은 상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D46
양상 D43, D44 또는 D45에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
용해 단계는 에어-로스팅된 광석의 적어도 부분과 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 동시에 및/또는 순차적으로 용해;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D47
양상 D46에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
용해 단계는 용해 단계의 적어도 부분 동안 열적-환원된 광석보다 분리된(separate) 용해 탱크에서 에어-로스팅된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D48
양상 D43-47에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
용해 단계는 광석-혼합물을 용해;를 포함하고,
상기 광석-혼합물은 열적-환원된 광석의 0 중량% 내지 100 중량%, 로스팅된 광석의 5 중량% 내지 100 중량%, 로스팅된 마그네타이트-포함 광석의0 중량% 내지 90 중량%를 포함하는,
방법 또는 시스템.
(양상 A69에서 명시된 각 범위에 대한 중량% 범위는 본 측면 D48에서 상응하는 중량% 범위에 동일하게 적용될 수 있음.)
양상 D49
양상 D43-48에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
용해 단계는 제1 전기화학적 셀과 제1 용해 탱크, 제2 용해 탱크, 및 제3 용해 탱크 중 적어도 하나 사이에서 용해 용액을 순환시키는 것;을 포함하고,
상기 제1 용해 탱크는 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 포함하고,
상기 제2 용해 탱크는 에어-로스팅된 광석을 포함하고, 및
상기 제3 용해 탱크는 철-함유 원(原, raw) 광석을 포함하고,
상기 원 광석은 열적 환원되거나 에어-로스팅되지 않은 철-함유 광석인,
방법 또는 시스템.
양상 D50
양상 D49에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 순환시키는 것의 단계는 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수 동안 용해 용액을 순환시키는 것을 포함하고,
상기 용해 용액은 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수의 0 내지 99% 동안 전기화학적 셀과 제3 용해 탱크 사이를 순환하고,
상기 용해 용액은 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수의 0 내지 99% 동안 전기화학적 셀과 제2 용해 탱크 사이를 순환하고,
상기 용해 용액은 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수의 1 내지 100% 동안 전기화학적 셀과 제1 용해 탱크 사이를 순환하는,
방법 또는 시스템.
(양상 A71에서 명시된 각 범위에 대한 순환 범위는 본 측면 D48에서 상응하는 순환 범위에 동일하게 적용될 수 있음.)
양상 D51
양상 D49 또는 D50에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
순환시키는 단계 동안, 제1, 제2, 및 제3 용해 탱크의 세 개 사이에서 또는 전기화학적 셀과 제1, 제2, 및 제3 용해 탱크의 임의의 두 개 사이에서 어떠한 순서든 순차적으로 및/또는 동시에 용해 용액이 순환하는,
방법 또는 시스템.
양상 D52
양상 D51에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
전기화학적 셀과 원 광석을 갖는 제3 용해 탱크 사이에서 먼저 용해 용액을 제1 순환시키는 것, 그 후 전기화학적 셀과 에어-로스팅된 광석을 갖는 제2 용해 탱크 사이에서 용해 용액을 제2 순환시키는 것, 그 후 전기화학적 셀과 열적-환원된 광석을 갖는 제1 용해 탱크 사이에서 용해 용액을 제3 순환시키는 것을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D53
양상 D49-52에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 용해 용액은 산성의 철-염 용액이거나, 산성의 철-염 용액을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D54
양상 D43-53에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제1 용해 탱크는 용해 단계의 어느 부분 동안에서든 에어-로스팅된 광석, 원 광석, 또는 둘 다를 추가적으로 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D55
양상 D49-54에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제2 용해 탱크는 용해 단계의 어느 부분 동안에서든 열적-환원된 광석, 원 광석, 또는 둘 다를 추가적으로 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D56
양상 D49-55에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제3 용해 탱크는 용해 단계의 어느 부분 동안에서든 에어-로스팅된 광석, 열적-환원된 광석, 또는 둘 다를 추가적으로 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D57
선행하는 양상에 있어서,
용해 단계는 적어도 하나의 용해 탱크에서 수행되고,
용해 단계는 열적-환원된 광석의 존재 하 적어도 하나의 용해 탱크에서 에어-로스팅된 광석, 원 광석, 또는 둘 다를 산성의 철-염 용액에 도입;을 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D58
양상 D2-57에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질은 헤마타이트 및/또는 고에타이트를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D59
선행하는 양상에 있어서,
산성의 철-염 용액은 하기로 이루어지는 군에서 선택되는 산을 포함하는 방법 또는 시스템:
염산, 황산, 질산, 인산, 초산, 구연산, 옥살산, 붕산, 과붕산, 탄산, 메탄셀폰산, 및 이들의 임의의 조합.
양상 D60
선행하는 양상에 있어서,
형성된 Fe2+ 이온을 이동 단계는 용해 서브시스템으로부터 철-풍부 용액의 적어도 부분을 제거; 및 전달된 철-풍부 용액을 철-도금 서브시스템으로 전달;을 포함하며,
상기 전달된 철-풍부 용액은 제거된 철-풍부 용액의 적어도 부분을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D61
양상 D60에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
형성된 Fe2+ 이온을 갖는 전달된 철-풍부 용액은 0.5를 초과 (0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 또는 6 초과, 선택적으로 pH는 0.6, 0.7, 0.8, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 또는 6 미만이며, 이러한 pH는 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.5-6) 하는 pH를 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 D62
양상 D61에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
전달된 철-풍부 용액은 1 이상의 pH를 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D63
양상 D62에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
전달된 철-풍부 용액은 2 내지 6 범위에서 선택되는 pH를 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D64
양상 D60-63에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
전달된 철-풍부 용액은 Fe3+ 이온보다 높은 Fe2+ 이온 농도를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D65
양상 D60-64에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
전달된 철-풍부 용액은 Fe3+ 이온 농도 대 Fe2+ 이온 농도 비가 0.01 이하 (예를 들어, 0.01, 0.0075, 0.005, 0.0025, 또는 0.001 이하, 선택적으로 상기 비는 0.0075, 0.005, 0.0025, 또는 0.001 이상이고, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.001-0.01) 인 것을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D66
양상 D60-65에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
전달된 철-풍부 용액은 제2 환원전극 챔버로 직접적 또는 간접적으로 전달되고,
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D67
양상 D66에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
전달된 철-풍부 용액의 적어도 70% (예를 들어, 적어도 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 99%, 또는 100%이고, 선택적으로 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 99%, 또는 100% 미만이고, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 70-99%) 는 제2 환원전극 챔버로 직접적 또는 간접적으로 전달되는, 방법 또는 시스템.
양상 D68
양상 D67에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
전달된 철-풍부 용액의 적어도 90%는 제2 환원전극 챔버로 직접적 또는 간접적으로 전달되는, 방법 또는 시스템.
양상 D69
양상 D60-68에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제2 전기화학적 환원 단계는 소비된 제2 환원전극액을 형성하고,
소비된 제2 환원전극액은 전달된 철-풍부 용액의 철 이온 농도보다 낮은 철 이온 농도를 가지고,
소비된 제2 환원전극액의 적어도 부분은 제2 산화전극 챔버로 제공되고,
제2 전기화학적 셀은 제2 산화전극의 존재 하 제2 산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D70
양상 D69에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
소비된 제2 환원전극액은 제2 전기화학적 환원 단계가 완료 또는 종료될 때 형성되는, 방법 또는 시스템.
양상 D71
양상 D68 또는 D69에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
소비된 제2 환원전극액은 전달된 철-풍부 용액의 철 이온 농도의 60% 내지 70% (예를 들어, 62-68%, 64-66%, 60-65%, 또는 65-70%)의 철 이온 농도인 것을 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 D72
양상 D69에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제2 전기화학적 환원 단계는 제2 환원전극액의 철 이온 농도가 전달된 철-풍부 용액의 철 이온 농도의 60% 내지 70% (예를 들어, 62-68%, 64-66%, 60-65%, 또는 65-70%)로 감소할 때 완료 또는 종료되는,
방법 또는 시스템.
양상 D73
양상 D60-72에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
전달된 철-풍부 용액의 제1부분은 제2 환원전극 챔버로 직접적 또는 간접적으로 전달되고,
전달된 철-풍부 용액의 제2부분은 제2 산화전극 챔버로 직접적 또는 간접적으로 전달되고,
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버, 및 제2 산화전극의 존재 하 제2 산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D74
양상 D63에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 제1 부분은 전달된 철 용액의 25 부피% 내지 45 부피% (예를 들어, 30-40 부피%, 32-38 부피%, 25-35 부피 %, 또는 35-45 부피 %)이며,
상기 제2 부분은 전달된 철 용액의 55 부피% 내지 75 부피% (예를 들어, 60-70 부피%, 62-68 부피 %, 55-65 부피 %, or 65-75 부피 %)인,
방법 또는 시스템.
양상 D75
양상 D73 또는 D74에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 제1 부분은 전달된 철-풍부 용액의 Fe2+의 25 몰% 내지 45 몰% (예를 들어, 30-40 몰%, 32-38 몰 %, 25-35 몰 %, or 35-45 몰 %)를 포함하고,
상기 제2부분은 전달된 철-풍부 용액의 Fe2+의 55 몰% 내지 75 몰% (예를 들어, 60-70 몰 %, 62-68 몰 %, 55-65 몰 %, or 65-75 몰 %)를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D76
양상 D60-75에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
이동 단계는 전달 단계 이전에 철-풍부 용액의 제거된 부분을 처리, 이로 인해 처리된 철-풍부 용액을 형성;을 추가적으로 포함하고,
전달된 철-풍부 용액은 처리된 철-풍부 용액의 적어도 부분을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D77
양상 D76에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
처리 단계는 철-풍부 용액의 제거된 부분의 pH를 올리기;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D78
양상 D76 또는 D77에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
처리 단계는 철-풍부 용액의 제거된 부분의 존재 하 금속 철을 제공함으로써 철-풍부 용액의 제거된 부분의 pH를 올리기;를 포함하고,
철-풍부 용액의 제거된 부분과 제공된 금속 철 사이 반응은 철-풍부 용액의 제거된 부분에서 양성자를 소비하는, 방법 또는 시스템.
양상 D79
양상 D78에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
철-풍부 용액의 제거된 부분의 pH를 올리기는
철-풍부 용액의 제거된 부분의 존재 하 금속 철을 제공; 이전에 및/또는 제공;과 동시에
철-풍부 용액의 제거된 부분의 존재 하 마그네타이트를 제공;을
추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D80
양상 D78 또는 D79에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
철-풍부 용액의 제거된 부분과 제공된 금속 철 사이의 반응은 H2 가스를 화학적-생성하고,
상기 방법은 화학적-생성된 H2 가스를 수집;을 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D81
양상 D76-80에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
처리된 Fe2+ (ferrous) 용액은 2 내지 7 미만 (예를 들어, 2-4, 4-6, 6 내지 7 미만, 3 내지 7 미만, 3-6, or 4-5)의 범위에서 선택되는 pH를 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D82
양상 D76에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
공급 원료는 하나 이상의 불순물을 포함하고,
생산된 철-풍부 용액은 상기 하나 이상의 불순물의 적어도 일부를 포함하고,
pH를 올리기는 초기 pH에서 조정된 pH로 철-풍부 용액의 제거된 부분의 pH를 올리기, 이로 인해 처리된 철-풍부 용액을 형성하기 위해 철-풍부 용액에서 하나 이상의 불순물의 적어도 일부를 침전;를 포함하고,
처리된 철-풍부 용해는 생산된 철-풍부 용액과 비교하여 하나 이상의 불순물의 감소된 농도를 갖는, 방법 또는 시스템.
양상 D83
양상 D82에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
철-함유 광석의 적어도 부분을 용해는 불용성 불순물을 생성하고,
상기 방법은 상기 불용성 불순물의 적어도 부분을 분리 및 제거를 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D84
양상 D83에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 불용성 불순물의 적어도 부분을 제거;는 상기 불용성 불순물을 여과 및/또는 분리함으로써 수행되는, 방법 또는 시스템.
양상 D85
양상 D83 또는 D84에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 불용성 불순물은 석영, 석고, 및 이들의 임의의 조합을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D86
양상 D82-85에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 조정된 pH는 하나 이상의 불순물의 용해도 한계치 이상 및 Fe2+ 이온의 용해도 한계치 미만이며, 이로 인해 상기 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 침전시키는, 방법 또는 시스템.
양상 D87
양상 D86에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 조정된 pH는 알루미늄, 티타늄, 및 인산염 이온의 용해도 한계치 이상 및 Fe2+ 이온의 용해도 한계치 미만이며, 이로 인해 알루미늄, 티타늄, 및 인산염 이온의 적어도 부분을 침전시키는, 방법 또는 시스템.
양상 D88
양상 D82-87에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 조정된 pH는 상기 하나 이상의 불순물의 침전 pH 이상 및 Fe2+ 이온의 침전 pH 미만이며, 이로 인해 상기 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 침전시키는, 방법 또는 시스템.
양상 D89
양상 D88에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 조정된 pH는 알루미늄, 티타늄, 및 인산염 이온의 침전 pH 이상 및 Fe2+ 이온의 침전 pH 미만이며, 이로 인해 알루미늄, 티타늄, 및 인-함유 이온의 적어도 부분을 침전시키는, 방법 또는 시스템.
양상 D90
양상 D86-89에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 수산화티타늄, 수산화알루미늄, 인산알루미늄, 및/또는 인산철을 침전;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D91
양상 D86-90에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 침전된 불순물의 적어도 부분을 제거;를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D92
양상 D82-91에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 조정된 pH는 3 내지 7 또는 3 내지 7 미만 (예를 들어, 3-6.5, 3-6, 3-5, 3-4, 3-7, 3 내지 7 미만, 4-7, 4 내지 7 미만, 4-6, 4-5, 5-7, 5 내지 7 미만, 5-6, 6-7, 또는 6 내지 7 미만) 범위에서 선택되는,
방법 또는 시스템.
양상 D93
양상 D92에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 조정된 pH는 4 내지 7 미만 범위에서 선택되는,
방법 또는 시스템.
양상 D94
양상 D82-93에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 조정된 pH는 다른 불순물의 침전으로 발생하는 콜로이드 실리카의 응고를 또한 초래하고;
상기 방법은 상기 콜로이드 실리카의 적어도 부분의 제거를 추가적으로 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D95
양상 D82-94에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
pH를 올리기의 단계는 철-풍부 용액의 존재 하 금속 철 및/또는 산화철 물질을 제공;을 포함하고,
철-풍부 용액의 제거된 부분 및 제공된 금속 철 및/또는 산화철 물질 사이 반응은 철-풍부 용액에서 양성자를 소비하여 그 pH를 올리는,
방법 또는 시스템.
양상 D96
양상 D95에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
pH를 올리기의 단계는 먼저 철-풍부 용액의 존재 하 산화철 물질을 제공; 및 뒤따르는 철-풍부 용액의 존재 하 금속 철을 제공;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D97
양상 D95에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
철-풍부 용액의 제거된 부분의 pH를 올리기는
철-풍부 용액의 제거된 부분의 존재 하 금속 철을 제공; 이전에 및/또는 제공;과 함께
철-풍부 용액의 제거된 부분의 존재 하 산화철 물질을 제공;을 추가적으로 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D98
양상 D95-97에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 산화철 물질은 마그네타이트를 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D99
양상 D95-98에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제공된 산화철 물질은 열적 환원된 철-함유 광석을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D100
양상 D95-99에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 금속철은 제2 전기화학적 환원 단계에서 형성된 Fe 금속의 부분인, 방법 또는 시스템.
양상 D101
양상 D82-100에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
처리된 Fe2+ (ferrous) 제품 용액은
1mM 미만 또는 0.2M 미만 (예를 들어, 0.2 M, 0.15 M, 0.12 M, 0.1 M, 80 mM, 60 mM, 50 mM, 20 mM, 10 mM, 5 mM, 1 mM 미만이고, 선택적으로 알루미늄 이온 농도는 0mM 이거나 적어도 0.15 M, 0.12 M, 0.1 M, 80 mM, 60 mM, 50 mM, 20 mM, 10 mM, 5 mM, 1 mM 이고, 각각의 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0-0.2 M 또는 1 mM 내지 0.1 M) 의 알루미늄 이온 농도; 및/또는
1mM 미만 또는 0.2M 미만 (예를 들어, 0.2 M, 0.15 M, 0.12 M, 0.1 M, 80 mM, 60 mM, 50 mM, 20 mM, 10 mM, 5 mM, 1 mM 미만이고, 선택적으로 알루미늄 이온 농도는 0mM 이거나 적어도 0.15 M, 0.12 M, 0.1 M, 80 mM, 60 mM, 50 mM, 20 mM, 10 mM, 5 mM, 1 mM 이고, 각각의 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0-0.2 M 또는 1 mM 내지 0.1 M) 의 인-함유 이온 농도;를 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D102
양상 D82-101에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
처리된 철-풍부 용액은 제2 환원전극 챔버에 직접적 또는 간접적으로 전달되는,
방법 또는 시스템.
양상 D103
양상 D102에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
처리된 철-풍부 용액은 제2 산화전극 챔버로는 전달되지 않는,
방법 또는 시스템.
양상 D104
양상 D102 또는 D103에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 생산된 철-풍부 용액의 제2부분을 제2 산화전극 챔버에 직접적 또는 간접적으로 전달;을 포함하며
철-풍부 용액의 제2부분은 처리되지 않거나, 철-풍부 용액의 제1부분과는 다른 처리를 받는, 방법 또는 시스템.
양상 D105
양상 D82-104에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
철-풍부 용액은 콜로이드 실리카를 포함하고,
처리 단계는 콜로이드 실리카의 적어도 부분을 제거;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D106
양상 D105에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
콜로이드 실리카 제거는 응집된 콜로이드 실리카를 생성하기 위해 상기 콜로이드 실리카의 적어도 부분의 응집;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D107
양상 D105 또는 D106에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
콜로이드 실리카 제거는 콜로이드 실리카의 응집을 용이하게 하기 위해 철-풍부 용액에 폴리에틸렌 산화물을 첨가, 이로 인해 응집된 콜로이드 실리카 생성;을 포함하는, 방법 또는 시스템.
양상 D108
양상 D105-107에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
콜로이드 실리카 제거는 여과, 침전, 및/또는 임의의 고-액 분리 공정에 의해 수행되는, 방법 또는 시스템.
양상 D109
양상 D82-108에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
처리된 철-풍부 용액은 10mM 이하 (예를 들어, 10 mM, 8 mM, 6 mM, 5 mM, 4 mM, 2 mM, 또는 1 mM 이하, 선택적으로 콜로이드 실리카 함량은 0 mM 이거나 적어도 8 mM, 6 mM, 5 mM, 4 mM, 2 mM, 또는 1 mM이며, 이러한 각각의 값은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0-10mM 또는 1-8mM)의 콜로이드 실리카 함량을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D110
양상 D82-109에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 초기 pH는 0.5 내지 1.5 (예를 들어, 0.5-1, 1-1.5, 0.8-1.3, 또는 0.7-1.4) 범위 내인,
방법 또는 시스템.
양상 D111
양상 D82-110에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
철-풍부 용액은 초기 pH를 특징으로 하며, Fe3+ 이온보다 높은 Fe2+ 이온 농도를 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D112
양상 D82-111에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
하나 이상의 불순물이 알루미늄 화합물, 티타늄 화합물, 인산염 화합물, 실리콘 화합물, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D113
양상 D82-112에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
공급 원료는 하나 이상의 불순물을 1 내지 50 중량% (예를 들어, 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, 또는 40-50의 중량 %) 범위에서 선택된 농도로 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D114
양상 D82-113에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
pH 조정, 조성 변경, 및/또는 불순물 제거를 위해 제2 전기화학적 셀로부터 제2 산화전극액 및/또는 제2 환원전극액을 제2 처리; 단계를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D115
양상 D82-114에 있어서, 또는 선행하는 양상에 있어서,
제2 처리; 단계는 제2 전기화학적 환원 단계가 완료 또는 종료된 후 수행되는,
방법 또는 시스템.
양상 D116
선행하는 양상에 있어서,
0.1 중량% 미만 또는 0.5 중량% 미만 (예를 들어, 0.5, 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 또는 0.005 중량% 미만의 알루미늄이며, 선택적으로 적어도 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 또는 0.005 중량%이며, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.005-0.5 또는 0.01 내지 0.1)의 알루미늄 농도; 및/또는
0.02 중량% 미만 또는 0.5 중량% 미만 (예를 들어, 0.5, 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 0.008, 0.006, 0.005, 0.002, 또는 0.001 중량% 미만의 알루미늄이며, 선택적으로 적어도 0.2, 0.1, 0.08, 0.06, 0.05, 0.02, 0.01, 0.008, 0.006, 0.005, 0.002, 0.001, 또는 0.0005 중량%이며, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.0005-0.5 또는 0.001-0.01)의 인 이온 농도;를 특징으로 하는, 방법 또는 시스템.
양상 D117
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 제2 산화전극액에서 제2 Fe3+ 이온을 형성하기 위해 Fe2+ 이온을 전기화학적으로 산화;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D118
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 철-도금 서브시스템에서 용해 서브시스템으로의 제1 재활용 용액을 재활용;을 포함하며,
상기 재활용 용액은 제2 산화전극액에서 형성되는 제2 Fe3+ 이온을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D119
양상 D118에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 재활용 단계는 제2 전기화학적 환원 단계가 완료 또는 종료된 후 수행되는,
방법 또는 시스템.
양상 D120
양상 D118 또는 D119에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 제1 재활용 용액은 제1 용해 탱크로 제공되고,
상기 용해 단계는 철-함유 광석과 산성의 철-염 용액을 포함하는 상기 제1 용해 탱크에서 수행되는,
방법 또는 시스템.
양상 D121
양상 D118, D119 또는 D120에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 제1 재활용 용액은 제2 전기화학적 셀로부터의 제2 산화전극액 및 제2 환원전극액의 적어도 부분을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D122
선행하는 양상에 있어서,
제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극액이 그 전체 철 이온 농도가 (i) 전달된 철-풍부 용액 또는 (ii) 생산된 철-풍부 용액에서의 철 이온 농도의 60% 내지 70% (예를 들어, 62-68%, 64-66%, 60-65%, 또는 65-70%)가 되는 것을 특징으로 할 때,
제2 전기화학적 환원 단계가 완료 또는 종료되는,
방법 또는 시스템.
양상 D123
선행하는 양상.
양상 D124
선행하는 양상.
양상 D125
선행하는 양상에 있어서,
제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극에서의 형성된 Fe 금속의 평균 두께가 1mm 내지 10mm (예를 들어, 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, 또는 8-10의 평균 두께 (mm)) 의 범위로부터 선택될 때,
제2 전기화학적 환원 단계가 완료 또는 종료되는,
방법 또는 시스템.
양상 D126
선행하는 양상.
양상 D127
선행하는 양상에 있어서,
철-도금 서브시스템은 제2 환원전극액이 제2 전기화학적 셀의 제2 환원전극 챔버와 제1 순환 탱크 사이를 순환하도록 구성되는 제1순환 탱크를 포함하며;
상기 철-도금 서브시스템은 제2 산화전극액이 제2 전기화학적 셀의 제2 산화전극 챔버와 제2 순환탱크 사이를 순환하도록 구성되는 제2 순환 탱크를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D128
양상 D127에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
제2 환원전극 챔버로 간접적으로 전달되는 철-풍부 용액은 제1 순환 탱크로 전달되는,
방법 또는 시스템.
양상 D129
선행하는 양상에 있어서,
제2 분리기는 PEM 또는 음이온 교환막(AEM) 또는 미세다공성 분리막인,
방법 또는 시스템.
양상 D130
선행하는 양상에 있어서,
제1 전기화학적 셀은 제2 전기화학적 셀과 상이한 전류 밀도에서 작동되는,
방법 또는 시스템.
양상 D131
선행하는 양상에 있어서,
제1전기화학적 셀은 제2 전기화학적 셀과 상이한 전류 밀도에서 동시에 작동하는,
방법 또는 시스템.
양상 D132
양상 D130 또는 D131에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
제1 전기화학적 셀은 제2 전기화학적 셀보다 높은 전류 밀도에서 작동되는,
방법 또는 시스템.
양상 D133
양상 D130, D131, 또는 D132에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
제1전기화학적 셀은 0.1 내지 2 A/cm2 (예를 들어, 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, 또는 1.5-2의 전류 밀도(A/cm2)) 범위에서 선택되는 전류 밀도에서 작동되고,
제2 전기화학적 셀은 20 내지 300 m A/cm2 (예를 들어, 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, or 250-300 의 전류 밀도(A/cm2)) 범위에서 선택되는 전류 밀도에서 작동되는,
방법 또는 시스템.
양상 D134
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 상기 방법을 적어도 5 사이클 (예를 들어, 적어도 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 50, 또는 100 사이클, 선택적으로 상기 사이클은 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 50, 100, 또는 150 미만이며, 각각의 이러한 값은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 5-150) 반복하는 것을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D135
선행하는 양상에 있어서,
상기 공급 원료는 헤마타이트, 마그헤마이트, 페리하이드라이트, 리모나이트, 마그네타이트, 지오타이트, 아카가나이트, 레피도크로사이트, 페록시하이트 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D136
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 H2 가스 생성; 및 생성된 H2 가스 수집;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D137
양상 D39, D80, 또는 D136에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
수집된 H2 가스의 적어도 부분이 산화되어 철 함유 광석을 열적 환원하는 공정에서 환원제로 사용하는,
방법 또는 시스템.
양상 D138
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 제1 환원전극에서 Fe 금속이 전기도금되는 것을 방지하기 위해
제1 전기화학 셀을 전기적으로 제어;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D139
선행하는 양상에 있어서,
제2 전기화학적 셀은 40 oC 내지 80 oC (예를 들어, 45-75 oC, 50-70 oC, 55-65 oC, 40-55 oC, 55-70 oC, 40-70 oC, 또는 50-80 oC) 범위에서 선택되는 온도에서 가동하는,
방법 또는 시스템.
양상 D140
선행하는 양상에 있어서,
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극액과 제2 산화전극액을 포함하며;
제2 산화전극액은 제2 환원전극액보다 낮은 pH를 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D141
양상 D140에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
제2 산화전극액의 pH는 Fe(III)(OH)2의 용해도 한계치의 pH보다 낮은,
방법 또는 시스템.
양상 D142
양상 D140 또는 D141에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
제2 환원전극액은 제2 전기화학적 환원 단계 동안 6 미만의 pH를 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D143
선행하는 양상에 있어서,
제거된 Fe 금속은 적어도 99중량% (예를 들어, 적어도 99 중량%, 적어도 99.5 중량%, 적어도 99.9 중량%, 또는 100 중량%) Fe를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D144
선행하는 양상에 있어서,
제1 산화전극은 납, 납 산화물, 망간 산화물, 혼합 금속 산화물, 이리듐 산화물, 루테늄 산화물, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 조성물을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D145
선행하는 양상에 있어서,
제1 환원전극은 탄소, 흑연, 티타늄, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 조성물을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D146
선행하는 양상에 있어서,
제2 산화전극은 탄소, 흑연, 납, 납 산화물, 혼합 금속 산화물, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 조성물을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D147
선행하는 양상에 있어서,
제2 환원전극은 철, 저탄소강, 스테인리스 스틸, 구리, 구리 합금 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 조성물을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D148
선행하는 양상에 있어서,
철 금속 제거는 (a) 제2 전기화학적 환원 단계에서 제2 환원전극으로부터 상기 철 금속을 긁어내기; 및 (b) 긁어낸 철 금속을 모으기;를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D149
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 상기 방법의 하나 이상의 단계에 전기 에너지 입력을 제공;을 포함하고,
상기 전기 에너지 입력의 적어도 일부는 재생가능한 에너지원으로부터 유래되는,
방법 또는 시스템.
양상 D150
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 강철(steel) 제조 단계를 포함하며,
상기 강철 제조 단계는 전기도금된 철 금속을 강철로 변환하기에 충분한 온도에서 탄소원의 존재 하 용광로에 제거된 전기도금된 철 금속을 가열;을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D151
양상 D150에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 용광로는 아크로, 유도로, 또는 전기도금된 철 금속을 강철로 변환하기에 충분한 온도에 도달할 수 있는 다른 어떠한 로(furnace)를 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D152
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법은 제2 전기화학적 셀을 방전 모드에서 작동;을 포함하며,
상기 방전 모드는 제2 전기화학적 셀에서 전기도금된 Fe 금속을 산화;를 포함하고,
상기 방법은 제2 전기화학적 셀의 방전 모드 동안 생산된 전기 에너지를 전기 그리드에 공급;을 추가적으로 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D153
선행하는 양상에 있어서,
제2 전기화학적 환원 단계는 철 전기도금 반응인,
방법 또는 시스템.
양상 D154
제1 용해 탱크에서, 철-함유 광석은 상기 철-함유 광석의 적어도 부분을 용해시키기 위해 산과 접촉하여 이로 인해 용해된 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성하고,
제1 순환 서브시스템은 제1 용해 탱크와 제1 전기화학적 셀의 제1 환원전극 챔버 사이에서 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 순환시켜, 이로 인해 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 제1 환원전극 챔버의 제1 환원전극액으로 제공하고,
제1 전기화학적 셀은 제1 산화전극의 존재 하 제1 산화전극액을 갖는 제1 산화전극 챔버, 제1 환원전극의 존재 하 제1 환원전극액을 갖는 제1 환원전극 챔버, 및 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제1 분리기를 포함하고,
제1 전기화학적 셀은 제1 환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 제1 환원 전극에서 제1 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 전기화학적으로 환원하고,
제1 전기화학적 셀은 전기화학적으로 양성자를 생성하고 전기화학적으로 생성된 양성자를 환원전극액으로 제공하고, 제1 순환 시스템은 제1환원전극액으로부터 산성의 철-염 용액으로 전기화학적으로 생성된 양성자를 제공하고, 및
제1 서브시스템에서 생산된 철-풍부 용액은 형성된 Fe2+ 이온을 포함하는,
용해 서브시스템이 제1 용해 탱크, 제1 전기화학적 셀, 및 제1 순환 서브시스템을 포함하는, 철-풍부 용액을 생산하는 용해 서브시스템;
철-풍부 용액의 적어도 부분을 철-도금 서브시스템으로 이동하는 제1 서브시스템-간 유체적 연결을 포함하는 전이 서브시스템;
제2 전기화학적 셀은 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제2 환원전극 챔버, 제2 산화전극의 존재 하 제2 산화전극액을 갖는 제2 산화전극 챔버, 및 제2 환원전극의 존재 하 제2 환원전극액을 갖는 제1 환원전극액으로부터 제1 산화전극액을 분리하는 제2 분리기를 포함하고,
이동된 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 제1부분은 제2 환원전극에서 Fe 금속으로 전기화학적으로 환원되는,
제2 전기화학적 셀을 포함하는 철-도금 서브시스템; 및
제2 전기화학적 셀로부터 Fe 금속을 제거하여, 이로 인해 철을 생산하는 철-제거 서브시스템;을 포함하는, 철 생산 시스템.
양상 D155
양상 D154에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
양성자는 제1 산화전극액에서 전기화학적으로 생성되어, 제1 환원전극액으로 제공되는,
방법 또는 시스템.
양상 D156
양상 D154 또는 D155에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
철-함유 광석의 존재 하 용해 탱크에서 산성의 철-염 용액은 정상 상태 자유 양성자 농도가 적어도 0.2M (선택적으로, 예를 들어, 적어도 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 또는 5 M이고, 선택적으로 정상 상태 자유 양성자 농도가 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5, 2, 3, 4, 5, 또는 6 M 미만이며, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 0.2-6M) 인 것을 특징으로 하고, 및/또는
정상 상태 pH가 0.7 이하 (선택적으로, 예를 들어, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0, -0.1, -0.5, 또는 -1이하이고, 선택적으로 정상 상태 pH가 적어도 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0, -0.1, -0.5, or -1이고, 이러한 값들은 어떠한 방식으로든 범위를 형성하기 위해 결합될 수 있음, 예를 들어 -1 내지 0.7) 인 것을 특징으로 하는,
방법 또는 시스템.
양상 D157
선행하는 양상에 있어서,
제1산화전극액이 물 또는 수성 염 용액을 포함하고,
물은 제1 산화전극액에서 양성자를 생성하기 위해 제1 산화전극에서 전기화학적으로 산화되고,
생성된 양성자는 분리기를 통해 제1 환원전극액으로 이송되는,
방법 또는 시스템.
양상 D158
선행하는 양상에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과 다른 조성을 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D159
선행하는 양상에 있어서,
제1 철-함유 광석은 마그네타이트를 갖는 열적-환원된 광석을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D160
양상 D159에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 환원제의 존재 하에서 및 200 oC 내지 600 oC (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, 또는 500-600의 온도(oC)) 범위에서 선택된 고온에서 비-마그네타이트 물질을 마그네타이트로 변환함으로써 열적-환원된 광석을 형성하도록 구성된 열적 환원 서브시스템을 추가적으로 포함하고;
상기 열적-환원된 광석은 상기 열적 환원 서브시스템으로부터 제1 용해 탱크로 제공되는,
방법 또는 시스템.
양상 D161
양상 D160에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 시스템은 공기의 존재 하 및 200 oC 내지 600 oC (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, 또는 500-600의 온도(oC)) 범위에서 선택된 고온에서 철-함유 광석을 에어-로스팅함으로써 에어-로스팅된 광석을 형성하도록 구성된 에어-로스팅 서브시스템을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D162
양상 D161에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
상기 에어-로스팅 서브시스템 및 상기 열적 환원 서브시스템은 동일한,
방법 또는 시스템.
양상 D163
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 에어-로스팅된 광석을 갖는 제2 용해 탱크를 포함하고,
상기 에어-로스팅된 광석은 열적 환원된 바 없고 200 oC 내지 600 oC (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, 또는 500-600의 온도(oC)) 범위에서 선택된 고온에서 공기에 노출된 철-함유 광석이고,
상기 에어-로스팅된 광석의 용해는 제2 용해 탱크에서 용해된 Fe3+ 이온을 포함하는 제2 산성의 철-염 용액의 존재 하 발생하고,
상기 시스템은 제2 용해 탱크로부터 환원전극 챔버로 제2 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 및 전기화학적 셀로부터 제2 용해 탱크로 환원전극액의 적어도 부분을 순환시키는 제2 순환 서브시스템을 추가적으로 포함하고,
제2 산성의 철-염 용액으로부터의 Fe3+ 이온의 적어도 부분은 환원전극에서 환원전극액의 Fe2+ 이온으로 전기화학적으로 환원되어, 이로 인해 제2 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 소비하는, 방법 또는 시스템.
양상 D164
선행하는 양상에 있어서,
상기 방법 또는 시스템은 원 광석을 갖는 제3 용해 탱크를 포함하고,
상기 원 광석은 열적 환원되거나 에어-로스팅되지 않은 철-함유 광석이고,
에어-로스팅된 광석의 용해는 제3 용해 탱크에서 용해된 Fe3+ 이온을 포함하는 제3 산성의 철-염 용액의 존재 하 발생하고,
상기 시스템은 제3 용해 탱크로부터 환원전극 챔버로 제3 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 및 전기화학적 셀로부터 제3 용해 탱크로 환원전극액의 적어도 부분을 순환시키는 제3 순환 서브시스템을 추가적으로 포함하고,
제3 산성의 철-염 용액으로부터의 Fe3+ 이온의 적어도 부분은 환원전극에서 환원전극액의 Fe3+ 이온으로 전기화학적으로 환원되어, 이로 인해 제3 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 소비하는,
방법 또는 시스템.
양상 D165
선행하는 양상에 있어서,
생산된 철-풍부 용액은 1M 내지 4M (예를 들어, 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, 또는 3-3.5M) 의 범위에서 선택되는 철 이온 농도를 갖는,
방법 또는 시스템.
양상 D166
선행하는 양상에 있어서,
Fe2+ 이온은 제2 산화전극액에서 Fe3+ 이온으로 산화되는,
방법 또는 시스템.
양상 D167
선행하는 양상에 있어서,
전이 서브시스템은 생산된 철-풍부 용액의 적어도 부분을 제거하고
철-풍부 용액의 제거된 부분을 처리하고,
이로 인해 처리된 철-풍부 용액을 형성하는,
방법 또는 시스템.
양상 D168
선행하는 양상에 있어서,
상기 시스템은 제1 재활용 용액을 제2 전기화학적 셀로부터 용해 서브시스템으로 재활용하도록 구성되는, 소비된 전해질 재활용 시스템을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D169
양상 D168에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
제1 재활용 용액은 제2 산화전극액의 적어도 부분과 제2 환원전극액의 적어도 부분을 포함하는,
방법 또는 시스템.
양상 D170
양상 D169에 있어서 또는 선행하는 양상에 있어서,
형성된 Fe2+ 이온의 Fe 금속으로의 환원이 완료 또는 종료된 후,
제1 재활용 용액은 제2 산화전극액의 적어도 부분과 제2 환원전극액의 적어도 부분을 혼합함으로써 형성되는,
방법 또는 시스템.
양상 D171
선행하는 양상에 있어서,
전이 서브시스템은 철-풍부 용액으로부터 하나 이상의 불순물의 적어도 부분을 제거하도록 구성된 제1 불순물 제거 서브시스템을 포함하고, 이로 인해 형성된 Fe2+ 이온의 적어도 부분을 갖는 처리된 철-풍부 용액을 형성하고,
상기 제1 불순물 제거 서브시스템에서 하나 이상의 불순물의 제거된 부분을 침전시키기 위해 초기 pH로부터 조정된 pH로 철-풍부 용액의 pH가 오르는,
방법 또는 시스템.
양상 D172
상기 또는 하기 양상들에 있어서,
산성의 철-염 용액에서의 양성자 농도 (선택적으로, 정상 상태 양성자 농도)가 (선택적으로 용해 단계가 수행되는 대부분의 시간 동안 그 임계치 위에 있은 후에) 0.4M (선택적으로, 0.3M, 선택적으로, 0.2M, 선택적으로, 0.1M) 이하일 때,
용해 단계가 종료되는, 방법 또는 시스템.
양상 D173
상기 양상들에 있어서,
산성의 철-염 용액 및/또는 생산된 철-염 용액에서 제1 환원전극액에서의 전체 철 이온 농도가 1M, 선택적으로 2M, 선택적으로 3M, 선택적으로 4M, 1M 내지 4M 사이의 포괄적으로 선택적으로 임의의 값 또는 범위가 되는 원하는 최대값 (선택적으로, 정상 상태 값) 일 때,
용해 단계가 종료되는, 방법 또는 시스템.
참조 및 변형에 의한 통합에 관한 진술
본 출원 전체에 걸친 모든 참조들은, 예를 들어, 발행되거나 부여된 특허 또는 균등물을 포함하는 특허 문서, 특허 출원 간행물, 및 비특허 문헌 문서 또는 기타 원천 자료는, 각 참조가 적어도 부분적으로 본 출원의 개시와 불일치하지 않는 범위 내에서, 개별적으로 참조에 의해 통합되는 것처럼, 본 명세서 전체에 참조에 의해 통합된다 (예를 들어, 부분적으로 불일치하는 참조는 참조의 부분적으로 불일치하는 부분을 제외하고는 참조에 의해 통합된다).
본 명세서에서 사용된 용어 및 표현은 설명의 용어로서 사용된 것이지 한정의 용어가 아니며, 이러한 용어 및 표현의 사용에 있어서 도시 및 설명된 특징의 균등물 또는 그 일부를 배제하려는 의도는 없으나, 특정 청구항 발명의 범위 내에서 다양한 수정이 가능하다는 것이 인정된다. 따라서, 발명이 바람직한 실시예, 예시적인 실시예 및 선택적 특징에 의해 구체적으로 개시되었지만, 당업자에 의해 본원에 개시된 개념의 수정 및 변형이 이루어질 수 있으며, 그러한 수정 및 변형은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 발명 범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 제공된 특정 실시예는 본 발명의 유용한 실시예의 예이며, 본 발명은 본 명세서에 개시된 장치, 장치 구성요소, 방법 단계의 수많은 변형을 사용하여 수행될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 당업자에게 명백할 것이지만, 본 방법에 유용한 방법 및 장치는 다수의 선택적 구성 및 처리 요소 및 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 문맥에서 달리 명시되지 않는 한, 단수 형태 "하나의 (a)", "하나의 (an)" 및 "그/본/상기 (the)"는 복수의 참조를 포함한다. 따라서, 예를 들어, "세포(cell)"에 대한 참조는 당업자에게 알려진 복수의 그러한 세포 및 이에 상응하는 것을 포함한다. 또한, "a" (또는 "an"), "하나 이상" 및 "적어도 하나"라는 용어는 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 또한, "포함하는 (comprising)", "포함하는 (including)" 및 "갖는 (having)"이라는 용어는 상호 교환적으로 사용될 수 있음에 유의해야 한다. "청구항 XX-YY 에 있어서" (여기서, XX 및 YY는 청구항 번호를 지칭) 라는 표현은 대안적인 형태로 다수의 종속 청구항을 제공하기 위한 것이며, 일부 실시예에서는 "청구항 XX-YY 중 어느 하나에 있어서"라는 표현과 상호 교환적으로 사용할 수 있다.
본 명세서에서 치환체 그룹이 개시되는 경우, 광석의 산화철 물질 또는 그룹 멤버(member)의 구조적 및 조성적 다형성 물질을 포함하는, 그 그룹 및 모든 서브그룹의 모든 개별 멤버는 개별적으로 개시되는 것으로 이해된다. 본 명세서에서 마쿠시 그룹 또는 기타 그룹이 사용되는 경우, 해당 그룹의 모든 개별 구성원과 해당 그룹의 가능한 모든 조합 및 하위 조합이 개별적으로 공개에 포함되도록 의도된다. 화합물의 특정 이성질체(isomer), 거울상 이성질체(enantiomer) 또는 이성질체(diastereomer)가 화학식 또는 화학명 등으로 명시되지 않은 화합물이 본 명세서에 기술되는 경우, 해당 설명은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 기술된 화합물의 각 이성질체 및 거울상 이성질체를 포함하도록 의도된다. 또한, 달리 명시되지 않는 한, 본원에 개시된 화합물의 모든 동위원소 변이체는 본 개시에 의해 포괄되는 것으로 의도된다. 예를 들어, 개시된 분자의 하나 이상의 수소는 중수소 또는 삼중수소로 치환될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 분자의 동위원소 변이체는 일반적으로 분자에 대한 분석 및 분자 또는 그 사용과 관련된 화학 및 생물학적 연구에서 표준으로 유용하다. 이러한 동위원소 변이체를 만드는 방법은 당업자에게 알려져 있다. 당업자에게는 동일한 화합물의 이름을 다르게 명명할 수 있다는 것이 알려져 있으므로, 화합물의 특정 이름은 예시적인 것으로 의도되었다.
본 명세서에 기재된 화합물의 염과 관련하여, 당업자는 주어진 용도에 대해 본 발명의 염을 제조하는 데 적합한 다양한 가용성 대응제 중에서 선택할 수 있다. 특정 용도에서, 염의 제조를 위해 주어진 음이온 또는 양이온을 선택하면, 그 염의 용해도가 증가되거나 감소될 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에 기재되거나 예시된 모든 장치, 시스템, 서브시스템, 방법, 프로세스, 구성요소 및/또는 구성요소들의 조합은 청구된 발명을 실시하는 데 사용될 수 있다.
예를 들어, 온도 범위, 시간 범위, 조성물 또는 농도 범위와 같이 본 명세서에서 범위가 주어질 때마다, 모든 중간 범위 및 하위 범위뿐만 아니라 주어진 범위에 포함된 모든 개별 값은 본 개시에 포함되도록 의도되었다. 본 명세서에 포함된 범위 또는 하위 범위 내의 임의의 하위 범위 또는 개별 값은 본 청구범위에서 제외될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에서 언급된 모든 특허 및 출판물은 개시된 장치, 시스템, 방법 및 프로세스가 관련된 당업자의 기술 수준을 나타낸다. 본 명세서에 인용된 참고 문헌은 본 명세서 전체에 참조로 통합되어 그 출판일 또는 출원일 현재의 기술 상태를 나타내며, 필요한 경우, 이 정보를 본 명세서에서 사용하여 선행 기술에 있는 특정 실시예를 배제할 수 있도록 의도되었다. 예를 들어, 물질의 조성이 청구되는 경우, 본원에 인용된 참고문헌에 개시된 화합물을 포함하여, 출원인의 발명 이전에 당업자에게 공지되고 이용 가능한 화합물은 본원의 물질의 조성 청구범위에 포함되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하다"는 "포함하다", "포함하다" 또는 "특징짓는"과 동의어이며, 포괄적이거나 개방적이며, 인용되지 않은 추가 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 "구성하는"은 청구항 요소에 명시되지 않은 요소, 단계 또는 성분을 제외한다. 본 명세서에서 사용된 "본질적으로 구성"은 청구항의 기본적이고 새로운 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 재료 또는 단계를 배제하지 않다. 본 명세서의 각 사례에서 "포함하는", "본질적으로 구성하는" 및 "구성하는"이라는 용어는 다른 두 용어 중 하나로 대체될 수 있다. 본원에 예시적으로 설명된 청구발명은 본원에 구체적으로 개시되지 않은 요소 또는 요소들, 제한 또는 제한이 없는 상태에서도 적절하게 실시될 수 있다.
당업자는 본 청구발명의 실시에 있어서 특별히 예시된 것 이외의 출발 물질, 시약, 합성 방법, 정제 방법, 분석 방법 및 분석 방법이 과도한 실험에 의존하지 않고도 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그러한 물질 및 방법의 모든 당업상 공지된 기능적 균등물은 본 발명에 포함되도록 의도되었다.
"및/또는"이라는 용어는 본 명세서 및 청구범위에서, 단일 요소 단독 또는 "및/또는"이라는 용어가 나타나는 목록에서 요소의 임의의 조합을 지칭하기 위해 사용된다. 다시 말해, "및/또는"이라는 용어가 포함된 둘 이상의 요소의 목록은 개별 요소 중 어느 하나만을 포함하는 실시예 또는 나열된 요소들의 임의의 조합을 포함하는 실시예를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, "요소 A 및/또는 요소 B"라는 문구는 요소 A를 단독으로 포함하거나, 요소 B를 단독으로 포함하거나, 또는 요소 A와 B를 모두 포함하는 실시예를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, "요소 A, 요소 B 및/또는 요소 C"라는 문구는 요소 A만을 갖는 실시예, 요소 B만을 갖는 실시예, 요소 C만을 갖는 실시예, 요소 A와 B를 함께 갖는 실시예, 요소 A와 C를 함께 갖는 실시예, 요소 B와 C를 함께 갖는 실시예 또는 요소 A, B 및 C를 함께 갖는 실시예를 포함하도록 의도된다.
Claims (94)
- 환원제의 존재 하 마그네타이트를 형성하기 위해 철-함유 광석의 하나 이상의 비(非)-마그네타이트 산화철 물질을 열적 환원, 이로 인해 열적-환원된 광석을 형성; 및
산성의 철-염 용액은 전기화학적 셀에서 전기화학적 생성된 양성자를 포함하는,
산성의 철-염 용액을 형성하기 위해 산을 이용하여 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법. - 제1항에 있어서,
상기 방법은 용해 단계 동안 전기화학적 셀로부터 산성의 철-염 용액으로의 상기 전기화학적으로 생성된 양성자를 갖는 환원전극액의 적어도 부분을 제공, 이로 인해 열적-환원된 광석의 존재 하 산성의 철-염 용액으로 전기화학적으로 생성된 양성자를 제공;을 포함하는, 방법. - 제2항에 있어서,
용해 단계는 용해 탱크에서 수행되고;
상기 용해 탱크와 상기 전기화학적 셀은 유체적으로 연결되고;
산성의 철-염 용액은 용해 탱크와 전기화학적 셀 사이를 순환하는, 방법. - 제3항에 있어서,
용해 단계의 적어도 부분 도중, 모든 산성의 철-염 용액은 용해 탱크와 전기화학적 셀 사이를 순환하는, 방법. - 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
용해 동안 열적-환원된 광석과 산성의 철-염 용액 사이 반응은 물을 생성하여, 이로 인해 산성의 철-염 용액의 양성자를 소비하고;
제공된 전기화학적-생성된 양성자는 산성의 철-염 용액에서 소비된 양성자의 적어도 부분을 대체하는, 방법. - 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자는 용해 단계의 적어도 부분 동안 산성의 철-염 용액에 계속적으로 제공되는, 방법. - 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
산성의 철-염 용액은 열적-환원된 광석의 용해 동안 적어도 0.2M의 정상 상태 자유 양성자 농도를 특징으로 하는, 방법. - 제7항에 있어서,
산성의 철-염 용액은 정상 상태 자유 양성자 농도가 0.2M 내지 3M의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법. - 제7항 또는 제8항에 있어서,
산성의 철-염 용액은 0.7 미만의 정상 상태 pH를 특징으로 하는, 방법. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 동일한 또는 다른 전기화학적 셀에서 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 전기화학적-생성된 Fe2+ 이온으로의 전기화학적 환원으로써 Fe2+ 이온을 전기화학적 생성;을 포함하는, 방법. - 제10항에 있어서,
상기 방법은 용해 단계 동안, 열적-환원된 광석의 존재 하, 전기화학적-생성된 Fe2+ 이온을 산성의 철-염 용액으로 제공;을 포함하는, 방법. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
전기화학적 셀은 전기화학적-생성된 양성자와 전기화학적-생성된 Fe2+ 이온 둘 다를 생성하고,
용해 단계는 용해 탱크에서 수행되고,
상기 용해 탱크와 상기 전기화학적 셀은 유체적으로 연결되고, 산성의 철-염 용액은 상기 용해 탱크와 상기 전기화학적 셀 사이를 순환하는, 방법. - 제8항에 있어서,
전기화학적 셀은 환원전극액의 존재 하 환원전극, 산화전극액의 존재 하 산화전극, 및 산화전극액으로부터 환원전극액을 분리하는 분리기를 포함하고,
상기 환원전극액은 산성의 철-염 용액을 포함하고,
산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 전기화학적 환원;은 환원전극액에서 전기화학적-생성된 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 환원전극에서 수행되고, 및
상기 방법은
전기화학적 셀에서 전기화학적-생성된 양성자를 전기화학적 생성;
전기화학적-생성된 양성자를 환원전극액에 제공;을 추가적으로 포함하는, 방법. - 제13항에 있어서,
상기 전기화학적-생성된 양성자를 전기화학적 생성 단계는 산화전극에서 물을 전기화학적 산화;를 포함하는, 방법. - 제13항에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자를 전기화학적 생성; 단계는 산화전극에서 H2 가스를 전기화학적 산화;를 포함하는, 방법. - 제14항 또는 제15항에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자를 제공; 단계는 산화전극액으로부터 환원전극액으로 분리기를 통해 전기화학적-생성된 양성자를 이송;을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기화학적 셀은 80% 초과의 쿨롱 효율을 특징으로 하는, 방법. - 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
전기화학적-생성된 양성자는 환원전극액에서 적어도 부분적으로 산을 형성하는, 방법. - 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 환원전극액으로부터 산화전극액으로 물을 제공;을 포함하는, 방법. - 제14항 또는 제16항에 있어서,
산화전극에서 산화된 물은 용해 단계 동안 철-함유 광석의 용해로 생성되는 물을 포함하는, 방법. - 제19항 또는 제20항에 있어서,
물은 삼투를 통한 분리기를 통해 환원전극액으로부터 산화전극액으로 제공되는, 방법. - 제13항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
산화전극액은 환원전극액의 전체 염 농도보다 더 큰 전체 염 농도인 것을 특징으로 하는, 방법. - 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 플래시 증류를 통해 환원전극액으로부터 물을 분리; 및 상기 분리된 물을 산화전극액에 제공;을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 역삼투압을 통해 환원전극액으로부터 물을 분리; 및 상기 분리된 물을 산화전극액에 제공;을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
산화전극액은 환원전극액과는 다른 조성을 갖는, 방법. - 제13항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과 다른 pH를 갖는, 방법. - 제13항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 환원전극액은 제1 산화전극액보다 낮은 pH를 갖는, 방법. - 제13항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액의 용해된 염의 조성과는 다른 용해된 염의 조성을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 산화전극액은 하나 이상의 용해된 Fe3+ (ferric) 철 염을 포함하고;
제1 산화전극액은 상기 하나 이상의 용해된 Fe3+ 철 염의 전체 농도가 제1 환원전극액의 전체 철 이온 농도 이상인 것을 특징으로 하는, 방법. - 제13항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 환원전극액은 하나 이상의 지지 염을 포함하는, 방법. - 제30항에 있어서,
제1 환원전극액은 0.1 내지 1M 범위에서 선택되는 하나 이상의 지지염 농도를 포함하는, 방법. - 제30항 또는 제31항에 있어서,
상기 하나 이상의 지지 염은 하나 이상의 금속 황산염 화합물을 포함하는, 방법. - 제32항에 있어서,
상기 하나 이상의 금속 황산염 화합물은 황산칼륨, 황산나트륨, 황산암모늄, 황산리튬, 염화칼륨, 염화나트륨, 염화암모늄, 염화리튬, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과는 다른 적어도 하나의 산화환원(redox) 쌍인 것을 특징으로 하는, 방법. - 제13항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액보다 높은 용해된 염의 전체 농도를 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제21항, 제23항 내지 제28항, 제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
제1산화전극액은 제1 환원전극액보다 낮은 용해된 염의 전체 농도를 포함하는, 방법. - 제1항 내지 제28항 및 제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
산화전극액은 Fe2+ 및 Fe3+ 이온이 필수적으로 부재한(free), 방법. - 제13항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
환원전극액은 1 내지 5M 범위에서 선택되는 최대 염 농도를 특징으로 하는, 방법. - 제13항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
환원전극액은 1 내지 5M 범위에서 선택되는 최대 철 이온 농도를 특징으로 하는, 방법. - 제13항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 산화전극에서 산소 (O2)를 전기화학적으로 생성;을 포함하는, 방법. - 제13항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
산화전극에서 전기화학적 반응은 하기로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 산화환원 쌍임을 특징으로 하는, 방법:
O2/H2O, H2O/H2, H2/H+, H+/H2O, 및 이들의 임의의 조합. - 제13항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 분리기를 통해 제1 환원전극액으로 이온적으로 연결되는, 방법. - 제42항에 있어서,
제1 산화전극액은 제1 환원전극액과 유체적으로 분리되는, 방법. - 제13항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리기는 이온교환막인, 방법. - 제44항에 있어서,
상기 분리기는 양성자교환막 (PEM)인, 방법. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 Fe2+ 이온을 갖는 철-풍부 용액을 생산;을 포함하는, 방법. - 제46항에 있어서,
생산된 철-풍부 용액은 1 내지 4M 범위에서 선택되는 전체 철 이온 농도를 특징으로 하는, 방법. - 제46항 또는 제47항에 있어서,
상기 방법은 전기화학적 셀 및/또는 용해 단계가 수행되는 용기(vessel)로부터 생산된 철-풍부 용액을 제거;를 포함하는, 방법. - 제3항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 전기화학적 셀로부터 용해 탱크를 유체적으로 분리함으로써 및/또는 용해 단계의 완료 동안 및 완료 이전에 전기화학적 셀을 차단(turn off)함으로써, 산성의 철-염 용액의 pH를 올리기;를 포함하는, 방법. - 제46항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 생산된 철-풍부 용액의 pH를 2 내지 7 범위에서 선택되도록 올리기, 이로 인해 pH-조정된 철-풍부 용액을 생산;을 포함하는, 방법. - 제46항 내지 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 생산된 철-풍부 용액의 pH를 2 내지 7 미만의 범위에서 선택되도록 올리기, 이로 인해 pH-조정된 철-풍부 용액을 생산;을 포함하는, 방법. - 제50항 또는 제51항에 있어서,
pH를 올리기 단계는 생산된 철-풍부 용액의 존재 하 금속 철 및/또는 하나 이상의 산화철 물질을 제공;을 포함하는, 방법. - 제52항에 있어서,
pH를 올리기 단계는 생산된 철-풍부 용액의 존재 하 마그네타이트를, 금속 철을, 또는 마그네타이트와 금속 철을 함께 제공;을 포함하는, 방법. - 제53항에 있어서,
pH를 올리기 단계는 생산된 철-풍부 용액의 존재 하 마그네타이트를, 또는 마그네타이트와 금속 철을 함께 제공;을 포함하는, 방법. - 제50항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서,
pH를 올리기 단계는 생산된 철-풍부 용액의 pH를 2 내지 7 범위에서 선택되도록 올리기 위한 충분한 양의 금속 철을 제공;을 포함하는, 방법. - 제46항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 생산된 철-풍부 용액으로부터 하나 이상의 Fe2+ (ferrous) 염을 침전; 또는 결정화;를 포함하는, 방법. - 제46항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 전기 도금 이외의 하나 이상의 공정을 통해 생산된 철-풍부 용액으로부터 하나 이상의 Fe2+ (ferrous) 염을 제거;를 포함하는, 방법. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
열적 환원 단계는 200 oC 내지 600 oC 범위에서 선택된 고온에서 철-함유 광석의 상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질을 환원제에 노출, 이로 인해 상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질의 적어도 부분을 마그네타이트로 전환;을 포함하는, 방법. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
환원제는 H2 가스를 포함하고,
상기 H2 가스의 적어도 부분은 철 금속과 산의 반응을 통해 화학적으로 생성; 및/또는 상기 H2 가스의 적어도 부분은 철 전기도금 공정의 기생(parasitic) 수소 발생(evolution) 반응을 통해 전기화학적으로 생성;되는, 방법. - 제58항에 있어서,
상기 철-함유 광석은 열적 환원 단계 동안 열적-처리 시간 동안 고온에 노출되고,
철-함유 광석은 상기 열적-처리 시간 전체 동안 환원제에 노출되는, 방법. - 제58항에 있어서,
철-함유 광석은 열적 환원 단계 동안 열적-처리 시간 동안 고온에 노출되고,
철-함유 광석은 상기 열적-처리 시간의 부분 동안 환원제에 노출되는, 방법. - 제61항에 있어서,
상기 방법은 열적-처리 시간의 초기 부분 동안 철-함유 광석을 공기에 노출시킴으로써 철-함유 광석을 에어-로스팅(air-roasting);을 포함하는, 방법. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 에어-로스팅된 광석을 형성하기 위하여 200 ºC 내지 600 ºC 범위에서 선택된 온도에서 공기의 존재 하 철-함유 광석의 적어도 부분을 에어-로스팅;을 추가적으로 포함하는, 방법. - 제63항에 있어서,
상기 에어-로스팅 단계는 열적 환원 단계 이전에 또는 열적 환원 단계와는 별도로 수행되고,
에어-로스팅된 광석은 에어-로스팅 이전에 열적 환원되지 않는, 방법. - 제63항 또는 제64항에 있어서,
열적 환원 단계는 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 형성하기 위해 에어-로스팅된 광석을 열적 환원;을 포함하고,
상기 에어-로스팅된 광석은 상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질을 포함하는, 방법. - 제63항, 제64항 또는 제65항에 있어서,
용해 단계는 에어-로스팅된 광석의 적어도 부분과 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 동시에 및/또는 순차적으로 용해;를 포함하는, 방법. - 제66항에 있어서,
용해 단계는 용해 단계의 적어도 부분 동안 열적-환원된 광석보다 분리된(separate) 용해 탱크에서 에어-로스팅된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하는, 방법. - 제63항 내지 제67항 중 어느 한 항에 있어서,
용해 단계는 광석-혼합물을 용해;를 포함하고,
상기 광석-혼합물은 열적-환원된 광석의 0 중량% 내지 100 중량%, 로스팅된 광석의 5 중량% 내지 100 중량%, 로스팅된 마그네타이트-포함 광석의0 중량% 내지 90 중량%를 포함하는, 방법. - 제63항 내지 제68항 중 어느 한 항에 있어서,
용해 단계는 제1 전기화학적 셀과 제1 용해 탱크, 제2 용해 탱크, 및 제3 용해 탱크 중 적어도 하나 사이에서 용해 용액을 순환시키는 것;을 포함하고,
상기 제1 용해 탱크는 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 포함하고,
상기 제2 용해 탱크는 에어-로스팅된 광석을 포함하고, 및
상기 제3 용해 탱크는 철-함유 원(原, raw) 광석을 포함하고,
상기 원 광석은 열적 환원되거나 에어-로스팅되지 않은 철-함유 광석인, 방법. - 제69항에 있어서,
상기 순환시키는 것의 단계는 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수 동안 용해 용액을 순환시키는 것을 포함하고,
상기 용해 용액은 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수의 0 내지 99% 동안 전기화학적 셀과 제3 용해 탱크 사이를 순환하고,
상기 용해 용액은 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수의 0 내지 99% 동안 전기화학적 셀과 제2 용해 탱크 사이를 순환하고,
상기 용해 용액은 전체 순환 시간 또는 전체 순환 사이클 수의 1 내지 100% 동안 전기화학적 셀과 제1 용해 탱크 사이를 순환하는, 방법. - 제69항 또는 제70항에 있어서,
순환시키는 단계 동안, 제1, 제2, 및 제3 용해 탱크의 세 개 사이에서 또는 전기화학적 셀과 제1, 제2, 및 제3 용해 탱크의 임의의 두 개 사이에서 어떠한 순서든 순차적으로 및/또는 동시에 용해 용액이 순환하는, 방법. - 제71항에 있어서, 순환시키는 것의 단계는
전기화학적 셀과 원 광석을 갖는 제3 용해 탱크 사이에서 먼저 용해 용액을 제1 순환시키는 것, 그 후 전기화학적 셀과 에어-로스팅된 광석을 갖는 제2 용해 탱크 사이에서 용해 용액을 제2 순환시키는 것, 그 후 전기화학적 셀과 열적-환원된 광석을 갖는 제1 용해 탱크 사이에서 용해 용액을 제3 순환시키는 것을 포함하는, 방법. - 제69항 내지 제72항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용해 용액은 산성의 철-염 용액이거나, 산성의 철-염 용액을 포함하는, 방법. - 제63항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 용해 탱크는 용해 단계의 어느 부분 동안에서든 에어-로스팅된 광석, 원 광석, 또는 둘 다를 추가적으로 포함하는, 방법. - 제63항 내지 제74항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 용해 탱크는 용해 단계의 어느 부분 동안에서든 열적-환원된 광석, 원 광석, 또는 둘 다를 추가적으로 포함하는, 방법. - 제63항 내지 제75항 중 어느 한 항에 있어서,
제3 용해 탱크는 용해 단계의 어느 부분 동안에서든 에어-로스팅된 광석, 열적-환원된 광석, 또는 둘 다를 추가적으로 포함하는, 방법. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
용해 단계는 적어도 하나의 용해 탱크에서 수행되고,
용해 단계는 열적-환원된 광석의 존재 하 적어도 하나의 용해 탱크에서 에어-로스팅된 광석, 원 광석, 또는 둘 다를 산성의 철-염 용액에 도입;을 추가적으로 포함하는, 방법. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질은 헤마타이트 및/또는 고에타이트를 포함하는, 방법. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
산성의 철-염 용액은 하기로 이루어지는 군에서 선택되는 산을 포함하는 방법:
염산, 황산, 질산, 인산, 초산, 구연산, 옥살산, 붕산, 과붕산, 탄산, 메탄셀폰산, 및 이들의 임의의 조합. - 용해 탱크에서, 철-함유 광석의 부분을 용해하기 위해 철-함유 광석을 산과 접촉, 이로 인해 용해된 Fe3+ 이온을 갖는 산성의 철-염 용액을 형성;
전기화학적 셀은 환원전극 챔버에서 환원전극액으로써 작용하는 산성의 철-염 용액의 적어도 부분의 존재 하 환원전극, 산화전극액의 존재 하 산화전극, 및 산화전극액으로부터 환원전극액을 분리하는 분리기를 포함하는,
용해 탱크와 전기화학적 셀의 환원전극 챔버 사이에서 산성의 철-염 용액의 부분을 재순환;
환원전극액에서 Fe2+ 이온을 형성하기 위해 환원전극에서 환원전극액으로부터 용해된 Fe3+ 이온의 적어도 부분을 전기화학적으로 환원; 및
철-함유 광석의 존재 하 용해 탱크에서 산성의 철-염 용액은 적어도 0.2M의 정상 상태 자유 양성자 농도를 특징으로 하는,
전기화학적 셀에서 양성자를 전기화학적 생성 및 전기화학적 생성된 양성자를 환원전극액으로 제공;을 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법. - 환원제는 H2 가스를 포함하고, 및
상기 H2 가스의 적어도 부분은 철 금속과 산의 반응을 통해 화학적으로 생성되고 및/또는 H2 가스의 적어도 부분은 철 전기도금 공정의 기생 수소 발생 반응을 통해 전기화학적으로 생성되는,
환원제의 존재 하 마그네타이트를 형성하기 위해 철-함유 광석의 하나 이상의 비-마그네타이트 산화철 물질을 열적 환원, 이로 인해 열적-환원된 광석을 형성; 및
산성의 철-염 용액을 형성하기 위해 산성 용액을 이용하여 열적-환원된 광석의 적어도 부분을 용해;를 포함하되,
상기 용해 단계는 상기 산성 용액에서 형성된 마그네타이트를 용해;를 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 방법. - 제1 산에서 제1 광석의 용해는 제1 용해 탱크에서 용해된 Fe3+ 이온을 포함하는 제1 산성의 철-염 용액을 형성하는,
제1 산을 사용하여 제1 철-함유 광석을 용해시키는 제1 용해 탱크;
전기화학적 셀은 환원전극 존재 하 환원전극액을 갖는 환원전극 챔버, 산화전극의 존재 하 산화전극액을 갖는 산화전극 챔버, 및 상기 환원전극액과 산화전극액을 분리하는 분리기를 포함하는,
제1 용해 탱크에 유체적으로 연결된 전기화학적 셀; 및
제1 산성의 철-염 용액으로부터의 Fe3+ 이온의 적어도 부분은 환원전극에서 환원전극액의 Fe2+ 이온으로 전기화학적으로 환원되어, 이로 인해 제1 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 소비하는,
제1 용해탱크로부터 환원전극 챔버로 제1 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 및 전기화학적 셀로부터 제1 용해탱크로 환원전극액의 적어도 부분을 순환시키는 제1 순환 서브시스템;을 포함하는, 철-함유 광석 가공 및 용해 시스템. - 제82항에 있어서,
양성자는 전기화학적 셀에서 전기화학적으로 생성되고 환원전극액으로 공급되어, 이로 인해 용해 도중 소비된 산을 부분적으로 보충하는, 시스템. - 제83항에 있어서,
양성자는 산화전극액에서 전기화학적으로 생성되어, 분리기를 통해 환원전극액으로 전달되는, 시스템. - 제82항, 제83항, 또는 제84항에 있어서,
철-함유 광석의 존재 하 용해 탱크에서 산성의 철-염 용액은 정상 상태 자유 양성자 농도가 적어도 0.2M인 것을 특징으로 하고, 및/또는
정상 상태 pH가 0.7 이하인 것을 특징으로 하는, 시스템. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
제1산화전극액이 물 또는 수성 염 용액을 포함하고,
물은 제1 산화전극액에서 양성자를 생성하기 위해 산화전극에서 전기화학적으로 산화되고,
생성된 양성자는 분리기를 통해 환원전극액으로 이송되는, 시스템. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
산화전극액은 환원전극액과 다른 조성을 갖는, 시스템. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
제1 철-함유 광석은 마그네타이트를 갖는 열적-환원된 광석을 포함하는, 시스템. - 제68항에 있어서,
상기 시스템은 환원제의 존재 하에서 및 200 oC 내지 600 oC 범위에서 선택된 고온에서 비-마그네타이트 물질을 마그네타이트로 변환함으로써 열적-환원된 광석을 형성하도록 구성된 열적 환원 서브시스템을 추가적으로 포함하고;
상기 열적-환원된 광석은 상기 열적 환원 서브시스템으로부터 제1 용해 탱크로 제공되는, 시스템. - 제89항에 있어서,
상기 시스템은 공기의 존재 하 및 200 oC 내지 600 oC 범위에서 선택된 고온에서 철-함유 광석을 에어-로스팅함으로써 에어-로스팅된 광석을 형성하도록 구성된 에어-로스팅 서브시스템을 포함하는, 시스템. - 제90항에 있어서,
상기 에어-로스팅 서브시스템 및 상기 열적 환원 서브시스템은 동일한, 시스템. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은 에어-로스팅된 광석을 갖는 제2 용해 탱크를 포함하고,
상기 에어-로스팅된 광석은 열적 환원된 바 없고 200 oC 내지 600 oC 범위에서 선택된 고온에서 공기에 노출된 철-함유 광석이고,
상기 에어-로스팅된 광석의 용해는 제2 용해 탱크에서 용해된 Fe3+ 이온을 포함하는 제2 산성의 철-염 용액의 존재 하 발생하고,
상기 시스템은 제2 용해 탱크로부터 환원전극 챔버로 제2 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 및 전기화학적 셀로부터 제2 용해 탱크로 환원전극액의 적어도 부분을 순환시키는 제2 순환 서브시스템을 추가적으로 포함하고,
제2 산성의 철-염 용액으로부터의 Fe3+ 이온의 적어도 부분은 환원전극에서 환원전극액의 Fe2+ 이온으로 전기화학적으로 환원되어, 이로 인해 제2 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 소비하는, 시스템. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은 원 광석을 갖는 제3 용해 탱크를 포함하고,
상기 원 광석은 열적 환원되거나 에어-로스팅되지 않은 철-함유 광석이고,
에어-로스팅된 광석의 용해는 제3 용해 탱크에서 용해된 Fe3+ 이온을 포함하는 제3 산성의 철-염 용액의 존재 하 발생하고,
상기 시스템은 제3 용해 탱크로부터 환원전극 챔버로 제3 산성의 철-염 용액의 적어도 부분을 및 전기화학적 셀로부터 제3 용해 탱크로 환원전극액의 적어도 부분을 순환시키는 제3 순환 서브시스템을 추가적으로 포함하고,
제3 산성의 철-염 용액으로부터의 Fe3+ 이온의 적어도 부분은 환원전극에서 환원전극액의 Fe3+ 이온으로 전기화학적으로 환원되어, 이로 인해 제3 산성의 철-염 용액으로부터 Fe3+ 이온을 소비하는, 시스템.
- 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
생산된 철-풍부 용액은 1M 내지 4M의 범위에서 선택되는 철 이온 농도를 갖는, 시스템.
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