تحضير أوكسيد الحديد الأحمر الصناعي عالي النقاوة

Abstract

الخلاصة لغرض دراسة إمكانية استحداث خطوط مستقبلية لإنتاج أكاسيد حديد عالية النقاوة للاستخدامات الصناعية والمختبرية ، تم انجاز بحث تحضير اوكسيد الحديد الأحمر عالي النقاوة بطريقتـي (الترسيب والتحميص) و (التحميص المباشر ) ،في طريقة الترسيب والتحميص رسب الحديد على شكل كاربونات الحديدوز باستخدام كاربونات الصوديوم ومن ثم رشحت وغسلت عجينة كاربونات الحديدوز لإزالة كبريتات الصوديوم الناتجة وكـاربونات الصوديـوم الفـائضة يـليها ترشيـح وتـجفيف العجينة والطـحـن والتحميص عـند درجـات حـرارية بحـدود ( 250-500) C ° ثم الغسل والتجفيف ، أما في طريقة التحميص المباشر فقد حمصت كبريتات الحديدوز المائية (FeSO4.7H2O) لتحضير أوكسيد الحديد الأحمر على مرحلتين ، الأولى : تضمنت تجفيف كبريتات الحديدوز المائية لإزالة الماء جزئيا منها والثانية : تضمنت التحميص عند درجات حرارية بحدود (250 -500) C° ثم الغسل لإزالة كبريتات الحديديك منه والترشيح ، التجفيف ، الطحن ، التحميص ، الغسل والتجفيف . بالطريقتين آنفاً حصل على اوكسيد الحديد الأحمر بنقاوة عالية وصلت إلى 99.99)%) بطريقة التحميص المباشر و 99.8)%) بطريقة الترسيب والتحميص حسب شهادة الفحص الصادرة من المختبر المركزي لهيأة المسح الجيولوجي العراقية.

الكلمات المفتاحية : أوكسيد الحديد الاحمر ، كبريتات الحديدوز المائية ، كبريتات الحديدك ، أكاسيد الحديد ، الترسيب والتحميص . المقدمة يمتاز أوكسيد الحديد الأحمر الصناعي عن نظيره الطبيعي بنقاوته الكيمياوية وزيادة انتظام حجمه الحبيبي , ويستخدم في عدة مجالات مثل صناعة سبيكة الفيروسليكون وتحسين نوعية حديد الزهر ، إزالة الكبريتات في الصناعات النفطية ، صناعة العوامل المساعدة والمحفزات (Catalyst)، صناعة السيراميك المغناطيسي ، الصناعات الالكترونية، صناعة الأدوية والعقاقير الطبية ، إنتاج الأصباغ والملونات . تم التطرق إلى موضوع تحضير أكاسيد الحديد الحمراء الصناعية عالية النقاوة من قبل عدد من الباحثين في العالم [1] وأجريت العديد من الدراسات والبحوث المختبرية و المعملية لاعتماد المسالك التكنولوجية الخاصة بتحضير هذه الاكاسيد في أمريكا والمانيا وايطاليا واليابان [2,3]. الأساس النظري لتحضير اوكسيد الحديد الأحمر الصناعي عالي النقاوة يتضمن محورين رئيسيين هما : 1- ترسيب ملح الحديد القابل للذوبان باستخدام قاعدة معينة والأكسدة . 2- التحلل الحراري والأكسدة المباشرة لمركبات وأملاح الحديد . ملح الحديد المستخدم بشكل رئيس في تحضير أوكسيد الحديد الأحمر الصناعي هو كبريتات الحديدوز المائية (FeSO4.7H2O) والتي تدعى (Melanterite or Copperas) تحضر من تفاعل رايش الحديد مع حامض الكبريتيك المخفف كما في المعادلة : Fe + H2SO4 FeSO4 + H2

حيث يحصل على محلول كبريتات الحديدوز الذي يرشح ويركز وتجرى عليه عملية البلورة ( Crystallization) للحصول على بلورات (Crystals) من كبريتات الحديدوز المائية (FeSO4.7H2O) لاستخدامها في المراحل اللاحقة من عمليات تحضير أوكسيد الحديد الأحمر .

الجزء العملي حضرت كبريتات الحديدوز المائية (FeSO4.7H2O) التي نقيت بإعادة بلورتها كمادة أولية لتحضير اوكسيد الحديد الأحمر ، أذيبت كميةg (830) من بلورات كبريتات الحديدوز في لتر من الماء المحمض بحامض الكبريتيك عند درجة حرارة C° (75-80) ، رشح المحلول وترك ليتبلور لمدة hr(24) وتبين بعد فصل المادة المتبلورة إن نسبة الناتج% (74) عند البلّورة بجهاز التبريد (Chiller) لمدةhr (6) . -1 تحضير اوكسيد الحديد الأحمر الصناعي عالي النقاوة بطريقة الترسيب والتحميص : في هذه الطريقة أذيبت كمية (830) غم من بلورات كبريتات الحديدوز في الماء عند درجة حرارة C° (75-80) مع احتساب الكمية المكافئة من مادة كاربونات الصوديوم التي أذيبت بمقدار g(526) في لترمن الماء الساخن بدرجة حرارة C° (75-80) للإسراع في عملية الإذابة ، بعدها رسبت كاربونات الحديدوز كما في معادلات التفاعل الاتية : FeSO4 + Na2 CO3 FeCO3 + Na2SO4 4FeCO3 + O2 2Fe2O3+ 4CO2 إن عملية الترسيب تكتمل عند وصول محلول كاربونات الحديدوز إلى (pH=9.5) ، غسل الراسب بالماء الساخن للتخلص من بقايا كبريتات الصوديوم الناتج الثانوي من التفاعل و رشحت العجينة لإزالة بقايا الماء والشوائب الذائبة فيها ، جففت في فرن تجفيف عند درجة حرارة C°(200) وطحن الراسب الجاف ، حمص المنتوج حراريا لإكمال تفكيك كاربونات الحديدوز المتبقية إلى اوكسيد الحديد الأحمر في درجات حرارة مختلفة تراوحت بين C° (250-500) .

2- تحضير اوكسيد الحديد الأحمر عالي النقاوة بطريقة التحميص المباشر : في هذه الطريقة أعيدت بلورة محلول كبريتات الحديدوز، رشح المحلول الناتج بعد إعادة البلورة لكبريتات الحديدوز لفصل البلورات عن المحلول غير المتبلور، جففت بلورات كبريتات الحديدوز لإزالة الماء جزئيا منها عند درجة حرارة C° (200) كما في المعادلة الاتية : تسخين C° 200 FeSO4.7H2O FeSO4. H2O+ 6H2O حمصت بلورات كبريتات الحديدوز (FeSO4.7H2O) عند درجات حرارة C° (250-500) في فرن كهربائي وكما في التفاعلات التالية : 6FeSO4.H2O + 1.5 O2 Fe2O3 + 2Fe2(SO4)3 + 6H2O

2Fe2(SO4)3 2 Fe2O3 +6SO3 حصل (بعد عملية التحميص هذه) على اوكسيد الحديد الأحمر(Fe2O3) حاوي على نسبة من كبريتات الحديديك Fe2(SO4)3 ، غسل الأوكسيد الناتج بعد عملية التحميص لإزالة كبريتات الحديديك Fe2(SO4)3 و رشح الأوكسيد المغسول للتخلص من كبريتات الحديد الذائبة مع محلول الغسل، جفف الأوكسيد الأحمر المغسول بدرجة حرارة C° (200) وطحن للوصول إلى الحجم الحبيبي المطلوب .

المناقشة والاستنتاج 1- لوحظ من خلال عملية إعادة بلّورة كبريتات الحديدوز المائية ان نقاوتها ارتفعت من % (96.5) كخام إلى % (99) عند البلورة بماء عادي والى % (99.5)عند البلورة بماء مقطر، ويمكن الاكتفاء باستخدام الماء العادي لإعادة بلّورة كبريتات الحديدوز بدلا من الماء المقطر وذلك لعدم وجود فرق كبير في نسبة النقاوة للكبريتات المتبلّورة ، كما في الجدول رقم (1) . 2- زيادة عدد مرات الغسل تقلل توصيلية ماء غسل الأوكسيد المحضّر وأن ماء غسل الأوكسيد المحضّر بطريقة (التحميص المباشر) كان أقل توصيلية من نظيره المحضّر بطريقة (الترسيب والتحميص) ،علماً أن توصيلية الماء المستخدم في الغسل تراوحت بين (575-650) مايكروسيمنس . 3- من خلال إجراء عملية التحميص في درجات حرارة مختلفة تراوحت بين C° (250-500)، لوحظ زيادة نسبة التحول إلى اوكسيد الحديد الأحمر بازدياد درجة حرارة التحميص ، وأن أفضل درجة حرارة مناسبة للتحميص (حصل فيها على أعلى نسبة تحول إلى اوكسيد الحديد الأحمر) هي C° (500) سواء بطريقة (الترسيب والتحميص) أو بطريقة (التحميص المباشر)، كما في الجدولين رقم (2) و (3) . 4- من خلال إجراء عملية التحميص في أزمان مختلفة عند درجة حرارة ثابتة C° (500) لوحظ أن زيادة زمن التحميص يؤدي إلى تحول أعلى للأوكسيد سواء بطريقة (الترسيب والتحميص) أو بطريقة (التحميص المباشر) ، وأن مدة hr(6) هي أفضل مدة زمنية لاكتمال التحول في التجارب المختبرية كما في الجدولين رقم (4) و (5). 5- تحضير أوكسيد الحديد الأحمر (Fe2O3) عالي النقاوة بطريقة ( التحميص المباشر ) أعطى نقاوة أعلى من طريقة (الترسب والتحميص ) ، حصل على نقاوة (%99.99) بطريقة التحميص المباشرة ونقاوة % (99.8) بطريقة الترسيب والتحميص ، كما في الجدول رقم (6) . 6- يجب أن تكون إعادة بلورة كبريتات الحديدوز المائية في وسط حامضي ، لذلك يضاف كمية قليلة 5) ml) من حامض الكبريتيك إلى الماء اللازم للبلّورة لمنع عملية تحلل وتأكسد كبريتات الحديدوز المائية . 7- تحضير أوكسيد الحديد الأحمر الصناعي عالي النقاوة بطريقة الترسيب والتحميص يتطلب ضرورة إضافة زيادة من القاعدة المستخدمة (كاربونات الصوديوم) لأغراض ترسيب كاربونات الحديدوز لان جزءاً منها يستهلك في معادلة الحامض الفائض . 8- في طريقة الترسيب والتحميص يجب إضافة محلول كاربونات الصوديوم )ببطء) إلى محلول كبريتات الحديدوز المائية أثناء عملية الترسيب لمنع فوران وانسكاب المحلول نتيجة تحرر غاز ثنائي اوكسيد الكاربون الناتج من تفكك كاربونات الصوديوم عند تفاعله مع الحامض الفائض . 9- للحصول على أعلى نقاوة لأوكسيد الحديد الأحمر بطريقة الترسيب والتحميص تطلب الحصول على أعلى تحول لكاربونات الحديدوز من خلال ضبط درجة حرارة التحميص والمدة الكافية لذلك ، إضافة إلى التخلص التام من الناتج الثانوي للتفاعل من كبريتات الصوديوم والفائض من كاربونات الصوديوم وذلك بالغسل المتكرر بعملية التركيد 10- للحصول على أعلى نقاوة لأوكسيد الحديد الأحمر بطريقة التحميص المباشر تطلب الحصول على أعلى تحول لكبريتات الحديدوز المائية المتبلّورة من خلال ضبط درجة حرارة التحميص والمدة الكافية لذلك ، إضافة إلى التخلص التام من كبريتات الحديديك Fe2(SO4)3 وذلك بالغسل المتكرر بعملية التركيد . 11- التقليب الدوري للمنتوج أثناء مراحل التجفيف والتحميص يسّرع من كلا العمليتين ويرفع نسبة التحول . 12- زيادة كلا من زمن ودرجة حرارة التحميص يؤدي إلى تحول أعلى للأوكسيد . 13- كون البحث يتعلق بتحضير أوكسيد حديد أحمر عالي النقاوة (وليس أوكسيد يستعمل لأغراض الملونات التي تحتاج إلى درجات تحميص أعلى) ، فقد اكتفي بدرجة حرارة C° (500) كأعلى درجة حرارة للتحميص التي حصل عندها على نقاوة لأوكسيد الحديد الأحمر بنسبة % (99.9) بطريقة التحميص المباشر وبنسبة % (99.8) بطريقة الترسيب والتحميص.

المصادر 1-U.Schwertmann and R.M.Cornell , Iron Oxides in the laboratory :Preparation and characterization, Willey-VCH &Weinheim , 2nd edition 2000. 2- U.Schwertmann and R.M.Cornell , The Iron Oxides: Structure , Properties , Occurrences and uses. Willey-VCH &Weinheim,2003. 3- Potter M.J. , Iron Oxide Pigments In United States vol.1- Metals and Minerals,2004.

جدول رقم (1) : نتائج نقاوة كبريتات الحديدوز المائية الخام والمتبلورة بالماء العادي والمتبلورة بالماء المقطر.

ت اسم النموذج

نسبة النقاوة %

نسبة الشوائب % Na Ca Mg Mn Ni

1 كبريتات الحديدوز المائية ( خام ) 96.5

0.01

0.01 0.07 0.08 0.02

2 كبريتات الحديدوز المائية المتبلورة بــ (ماء عادي) 99 0.01

Nil 0.04 0.02 0.006

3 كبريتات الحديدوز المائية المتبلورة بــ (ماء مقطر) 99.5 Nil Nil 0.02 0.02 0.006

جدول رقم (2) نتائج درجة حرارة التحميص على نسبة تحول جدول رقم (3) نتائج درجة حرارة التحميص على اوكسيد الحديد الاحمر بطريقة الترسيب والتحميص . نسبة تحول اوكسيد الحديد الاحمر بطريقة الترسيب والتحميص

التسلسل ورقم النموذج درجة حرارة التحميص C° نسبة التحول % 1 250 86.0 2 275 86.5 3 300 87.5 4 325 88.2 5 350 89.1 6 375 90.5 7 400 91.7 8 425 92.3 9 450 93.1 10 475 93.4 11 500 94.2 التسلسل ورقم النموذج درجة حرارة التحميص C° نسبة التحول % 1 250 87.1 2 275 87.5 3 300 88.0 4 325 88.6 5 350 89.2 6 375 91.5 7 400 92.7 8 425 93.3 9 450 94.1 10 475 95.4 11 500 96.2

الجدولان رقم (4) و (5) يوضحان تأثير زمن التحميص بثبوت درجة الحرارة على نسبة التحول الى اوكسيد الحديد الاحمر بطريقتي (الترسيب والتحميص) و(التحميص المباشر) حيث تم التحميص بكلا الطريقتين في أزمان مختلفة عند درجة حرارة ثابتة C° (500) . جدول رقم (4) نتائج زمن التحميص على نسبة تحول جدول رقم (5) نتائج زمن التحميص على نسبة أوكسيد الحديد الأحمر بطريقة الترسيب والتحميص . تحول اوكسيد الحديد الأحمر بطريقة التحميص المباشر. التسلسل ورقم النموذج زمن التحميص (ساعة) نسبة التحول %

1 1.5 85.5 2 2.0 90.2 3 2.5 92.0 4 3.0 93.6 5 3.5 94.1 6 4.0 95.3 7 4.5 96.7 8 5.0 97.8 9 5.5 98.5 10 6.0 99.8 التسلسل ورقم النموذج زمن التحميص (ساعة) نسبة التحول % 1 1.5 86.7 2 2.0 91.0 3 2.5 93.0 4 3.0 94.1 5 3.5 95.0 6 4.0 96.2 7 4.5 97.4 8 5.0 98.8 9 5.5 99.6 10 6.0 99.9

ت التحليل المواصفة العالمية مصدر رقم (1) طريقة تحضير أوكسيد الحديد الأحمر .1ترسيب وتحميص .2تحميص مباشر

1 Purity as Fe2O3 % 99.0% Min 99.80% 99.99% 2 Water soluble % 0.2% Max 0.1% 0.1% 3 HCl in soluble % 0.2% Max 0.1% 0.1% 4 Volatility % 0.2% Max 0.2% 0.15% 5 Silica % 0.1% Max 0.2% 0.1% 6 Particle size %<45 µ 0.2% Max 0.1% 0.1% جدول رقم (6) نتائج نقاوة أوكسيد الحديد الأحمر الصناعي عالي النقاوة المحضّر بطريقة (الترسيب والتحميص ) و