説明

砒酸鉄粉末およびその製造方法

【課題】砒素含有溶液から製造されて砒素の溶出濃度が非常に低い砒酸鉄粉末およびその製造方法を提供する。
【解決手段】砒酸鉄粉末は、砒酸鉄二水塩の粉末であり、斜方晶系の結晶構造を有し、室温、常圧における格子定数がa=0.8944〜0.8952nm、b=1.0289〜1.0322nm、c=1.0046〜1.0055nmであり、銅、ナトリウムおよび亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含有する。この砒酸鉄粉末は、砒素含有溶液に銅イオン、ナトリウムイオンおよび亜鉛イオンからなる群から選ばれる1種以上のイオン源を添加するとともに、2価の鉄イオン源を添加して、溶液中の鉄に対する砒素のモル比(Fe/As)を1以上にし、酸化剤を加えて撹拌しながら70℃以上に昇温させて反応させた後、固液分離して固形分を洗浄することによって得られる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、砒酸鉄粉末およびその製造方法に関し、特に、非鉄製錬の製錬中間物などの砒素以外の各種の元素を含む砒素含有物質を処理して得られる砒素含有溶液から製造した砒酸鉄粉末およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
非鉄製錬において生成される各種の製錬中間物や製錬原料には、有価金属が含まれているが、砒素などの好ましくない元素も含まれている。
【0003】
従来、砒素を含む製錬中間物などから砒素を浸出して分離して回収する方法として、湿式反応により砒素を分離して砒素含有溶液を回収する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、砒酸鉄溶液中に存在する砒素を鉄との安定な結晶性で且つ不溶出性の鉄・砒素化合物として除去して固定する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。また、砒素含有溶液に鉄(II)溶液および鉄(III)溶液の少なくとも一方を加えて反応させてスコロダイト(Scorodite)(FeAsO・2HO)を生成させ、固液分離して銅を含む非鉄金属成分を含有するスコロダイトを回収し、得られた銅を含む非鉄金属成分を含有するスコロダイトに水を加えてリパルプし、スコロダイトに含まれる銅を含む非鉄金属成分を液中に溶かしてスコロダイトから分離する方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。さらに、砒素を含む煙灰から酸溶液により砒素を浸出し、その浸出液に鉄イオンを含む酸性水溶液を混合して非晶質の砒酸鉄(FeAsO)を沈澱させた後、その混合液を加温して非晶質の砒酸鉄を結晶化し、その混合液を濾過して結晶化された砒酸鉄を除去する方法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。
【0004】
しかし、特許文献1は、砒素含有溶液を回収するまでの方法を提案しているが、その回収された砒素含有溶液を安定な不溶出性の物質まで固定する方法について提案していない。また、特許文献2〜4の方法によって生成される従来の鉄と砒素の化合物よりもさらに安定な不溶出性の鉄と砒素の化合物を生成することが望まれている。
【0005】
そのため、砒素含有溶液から製造されて砒素の溶出濃度が非常に低い砒酸鉄粉末として、平均粒径が8μm以上、粒径5μm以下の粒子の割合が10%以下、BET比表面積が2m/g以下の砒酸鉄粉末を製造することが提案されている(例えば、特許文献5参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特公昭61−24329号公報(第1−3頁)
【特許文献2】特開平11−277075号公報(段落番号0013−0014)
【特許文献3】特開2000−219920号公報(段落番号0007)
【特許文献4】特開2005−161123号公報(段落番号0006)
【特許文献5】特許4149488号公報(段落番号0007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、特許文献5は、不純物として微量の銅、亜鉛、錫、アンチモン、ナトリウム、カルシウム、硫黄などを含有する砒酸鉄粉末を製造することについて提案しているが、これらの不純物の含有量が多くなっても、砒素の溶出濃度が非常に低い砒酸鉄粉末を製造することについて提案していない。
【0008】
したがって、本発明は、砒素含有溶液から製造された砒酸鉄粉末中の不純物の含有量が多くても、砒素の溶出濃度が非常に低い砒酸鉄粉末およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、砒素含有溶液から製造された砒酸鉄粉末中の不純物の含有量が多くても、斜方晶系の結晶構造を有し、室温、常圧における格子定数がa=0.8944〜0.8952nm、b=1.0289〜1.0322nm、c=1.0046〜1.0055nmであり、銅、ナトリウムおよび亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含有する砒酸鉄粉末が、砒素の溶出濃度が非常に低い砒酸鉄粉末であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0010】
すなわち、本発明による砒酸鉄粉末は、斜方晶系の結晶構造を有し、室温、常圧における格子定数がa=0.8944〜0.8952nm、b=1.0289〜1.0322nm、c=1.0046〜1.0055nmであり、銅、ナトリウムおよび亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含有することを特徴とする。
【0011】
この砒酸鉄粉末の平均粒径が8μm以上、BET比表面積が2m/g以下であるのが好ましく、平均粒径が10μm以上、BET比表面積が0.5m/g以下であるのがさらに好ましい。また、上記の砒酸鉄粉末が、銅、ナトリウムおよび亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含有する砒酸鉄二水塩の粉末であるのが好ましい。
【0012】
また、本発明による砒酸鉄粉末の製造方法は、5価の砒素を含む砒素含有溶液に銅イオン、ナトリウムイオンおよび亜鉛イオンからなる群から選ばれる1種以上のイオン源を添加するとともに、2価の鉄イオン源を添加して、溶液中の鉄に対する砒素のモル比(Fe/As)を1以上にし、酸化剤を加えて撹拌しながら70℃以上に昇温させて反応させた後、固液分離して固形分を洗浄することを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、砒素含有溶液から砒素の溶出濃度が非常に低い砒酸鉄粉末を製造することができる。この砒酸鉄粉末は、砒素の溶出基準である0.3mg/Lよりも非常に低い溶出濃度の砒酸鉄粉末であり、堆積や保管に適している。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】実施例1〜3および比較例の砒酸鉄粉末について粉末X線回折パターンを示す図である。
【図2】実施例1の砒酸鉄粉末についてX線吸収スペクトルに表れるEXAFS振動を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明による砒酸鉄粉末の実施の形態は、斜方晶系の結晶構造を有し、室温、常圧における格子定数がa=0.8944〜0.8952nm、b=1.0289〜1.0322nm、c=1.0046〜1.0055nmであり、銅、ナトリウムおよび亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含有する。この砒酸鉄粉末の平均粒径が8μm以上、BET比表面積が2m/g以下であるのが好ましく、平均粒径が10μm以上、BET比表面積が0.5m/g以下であるのがさらに好ましい。また、この砒酸鉄粉末が、銅、ナトリウムおよび亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含有する砒酸鉄二水塩の粉末であるのが好ましい。
【0016】
このような砒酸鉄粉末は、例えば、砒素含有溶液に銅イオン、ナトリウムイオンおよび亜鉛イオンからなる群から選ばれる1種以上のイオン源を添加するとともに、2価の鉄イオン源を添加して、溶液中の鉄に対する砒素のモル比(Fe/As)を1以上にし、酸化剤を加えて撹拌しながら70℃以上に昇温させて反応させた後、固液分離して固形分を洗浄することによって得られる。
【0017】
砒素含有溶液中のAs濃度が低いとFeとAsの化合物の析出から成長過程で粒子が粗大化し難くなる傾向があるので、As濃度は、10g/L以上であるのが好ましく、20g/L以上であるのがさらに好ましい。また、砒素含有溶液のpHが2以下であるのが好ましい。
【0018】
銅イオン、ナトリウムイオンおよび亜鉛イオンからなる群から選ばれる1種以上のイオン源は、液体または固体のいずれの形態で添加してもよい。銅イオン源としては、硫酸銅などを使用することができる。なお、砒素含有溶液を製造する際の原料である製錬中間物や鉱石には銅が含まれているので、浸出によって得られた銅イオン源を使用してもよい。また、ナトリウムイオン源としては、NaSO無水塩などのナトリウム塩を使用することができ、亜鉛イオン源としては、ZnSO・7HOなどの亜鉛塩を使用することができる。なお、銅イオン、ナトリウムイオンおよび亜鉛イオンからなる群から選ばれる1種以上のイオン源の添加量は、酸化効率を考慮して、0.5g/L以上にするのが好ましく、1.0g/L以上にするのがさらに好ましい。
【0019】
2価の鉄イオン源としては、可溶性のFeSO・7HOを使用するのが好ましい。溶液中の鉄に対する砒素のモル比(Fe/As)は1以上であるのが好ましく、1.0〜1.5程度であるのがさらに好ましい。
【0020】
酸化剤としては、Fe2+を酸化することができる酸化剤であれば使用することができる。気体の酸化剤としては、酸素ガス、空気、オゾンなどを使用することができ、液体の酸化剤としては、過酸化水素や過マンガン酸溶液などを使用することができる。また、空気を使用する場合には、酸化能力が若干低下するので、Cuなどの触媒を使用して酸化能力を向上させてもよい。
【0021】
反応温度は、50℃以上であればFeとAsの化合物を析出させることができるが、Asの溶出濃度を低下させるためには、70℃以上にするのが好ましく、80〜95℃程度であるのがさらに好ましい。
【0022】
このようにして得られた粉末についてX線回折による分析を行ったところ、銅を含有する砒酸鉄二水塩(FeAsO・2HO)であった。
【実施例】
【0023】
以下、本発明による砒酸鉄粉末およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【0024】
[実施例1]
まず、砒素濃度(5価の砒素イオン濃度)500g/Lの砒素溶液(和光純薬工業社製の試薬)を純水で希釈し、硫酸銅フレークを添加して、砒素濃度50.13g/L、銅濃度40g/Lの砒素および銅を含む溶液を調製した。また、硫酸第一鉄七水塩(FeSO・7HO)(和光純薬工業社製の試薬)を純水で希釈して、鉄濃度(2価の鉄イオン濃度)56.00g/Lの硫酸第一鉄溶液を調製した。
【0025】
次に、このように調整した銅および砒素を含む溶液と硫酸第一鉄溶液を混合して、砒素に対する鉄のモル比(Fe/As)が1.5の混合液0.7Lを作製し、2段タービンディスクと邪魔板4枚がセットされた容量2Lのガラス製ビーカーに入れた。
【0026】
次に、2段タービンディスクの回転数1000rpmで強撹拌しながら、混合液を加熱して液温を95℃
に保持し、純度99%の酸素ガスを1.0L/分の流量で混合液中に吹き込んで、温度、撹拌条件および酸素ガス流量を保持したまま、大気圧下で7時間反応させた。この反応によって得られた析出物を含む混合スラリーの温度を70℃
に低下させた後、濾過して固形分を回収した。
【0027】
次に、回収された固形分(ウェットケーキ)に純水を加えてパルプ濃度100g/Lとし、2段タービンディスクの回転数500rpmで邪魔板4枚を使用して撹拌しながら、30℃でリパルプ洗浄を1時間行った後、濾過して固形分を回収し、60℃
で18時間乾燥して粉体を得た。
【0028】
このようにして得られた粉体について、粉末X線回折、水分含有率、平均粒径および比表面積の測定を行った。その結果、得られた粉体は、斜方晶系のスコロダイト型の砒酸鉄の結晶であり、水分含有率は7.5%、平均粒径は13.81μm、比表面積は0.38m/g(BET1点法)であった。
【0029】
なお、平均粒径については、レーザー回折式粒度分布測定装置(堀場製作所製のLA−500)を用いて粒度分布を測定して、メジアン径を平均粒径とした。
【0030】
また、粉末X線回折の測定では、銅ターゲットを使用した封入型X線管球を線源とし、発散ビーム集中光学系ディフラクトメータを使用し、試料からの回折X線をグラファイトカウンタモノクロメータで単色化して、CuKα特性線を計数した。また、得られた粉体(砒酸鉄粉末)の格子定数の決定では、Pawley法(G.S.Pawley「Cell Refinement From Powder Diffraction Scans」、J.Appl.Cryst.14、
357〜361頁(1981年))により、基本パラメータ法(R.W.Cheary and A.Coelho「A Fundamental Parameters Approach to X−ray Line−Profile Fitting」、J.Appl.Cryst.25、
109〜121頁(1992年))による回折ピークのプロファイル関数定数を考慮して、全回折パターン分解フィッティングを行った。なお、砒酸鉄の結晶構造は、斜方晶系であり、格子定数a、bおよびc(単位はnm)で表される。また、測定した格子定数a、bおよびcの精度は、±0.0001nmであり、砒酸鉄の格子定数を評価するには十分な精度である。
【0031】
また、得られた砒酸鉄粉末からの砒素の水溶液への溶出量は、砒酸鉄粉末の安定性を評価する上で重要な因子であり、環境庁告示13号法に基づいて、得られた砒酸鉄粉末とpH5の水を質量比1:10の割合で混合し、しんとう機で6時間しんとうさせた後に、0.45μmのポアサイズのフィルターで濾過した液中の砒素の量を分析する溶出試験によって、砒素の溶出量を評価した。この溶出量の評価では、砒酸鉄粉末からの砒素の溶出量が0.3mg/L以下の場合には溶出量が少なく、溶出量が0.3mg/L以上の場合には溶出量が多いと判断した。
【0032】
その結果、本実施例では、得られた砒酸鉄粉末の結晶構造の格子定数は、a=0.89445nm、b=1.02898nm、c=1.00541nmであり、砒酸鉄粉末からの砒素の溶出量は、0.08mg/Lであり、砒素の溶出量が非常に少なかった。
【0033】
[実施例2]
硫酸銅フレークの代わりにNaSO無水塩を添加して、砒素濃度50.13g/L、ナトリウム濃度40g/Lの砒素およびナトリウムを含む溶液を調整した以外は、実施例1と同様の方法によって粉体を得た。
【0034】
このようにして得られた粉体について、実施例1と同様に、粉末X線回折、水分含有率、平均粒径および比表面積の測定を行った。その結果、得られた粉体は、斜方晶系のスコロダイト型の砒酸鉄の結晶であり、水分含有率は6.8%、平均粒径は15.73μm、比表面積は0.28m/g(BET1点法)であった。
【0035】
また、実施例1と同様の方法により、砒酸鉄粉末の結晶構造の格子定数を決定し、砒酸鉄粉末からの砒素の溶出量を評価した。その結果、本実施例では、得られた砒酸鉄粉末の結晶構造の格子定数は、a=0.89513nm、b=1.03209nm、c=1.00467nmであり、砒酸鉄粉末からの砒素の溶出量は、0.07mg/Lであり、砒素の溶出量が非常に少なかった。
【0036】
[実施例3]
硫酸銅フレークの代わりにZnSO・7HOを添加して、砒素濃度50.13g/L、亜鉛濃度40g/Lの砒素および亜鉛を含む溶液を調整した以外は、実施例1と同様の方法によって粉体を得た。
【0037】
このようにして得られた粉体について、実施例1と同様に、粉末X線回折、水分含有率、平均粒径および比表面積の測定を行った。その結果、得られた粉体は、斜方晶系のスコロダイト型の砒酸鉄の結晶であり、水分含有率は6.9%、平均粒径は14.97μm、比表面積は0.25m/g(BET1点法)であった。
【0038】
また、実施例1と同様の方法により、砒酸鉄粉末の結晶構造の格子定数を決定し、砒酸鉄粉末からの砒素の溶出量を評価した。その結果、本実施例では、得られた砒酸鉄粉末の結晶構造の格子定数は、a=0.89505nm、b=1.03169nm、c=1.00480nmであり、砒酸鉄粉末からの砒素の溶出量は、0.02mg/Lであり、砒素の溶出量が非常に少なかった。
【0039】
[比較例]
硫酸銅フレークを添加しなかった以外は、実施例1と同様の方法によって粉体を得た。
このようにして得られた粉体について、実施例1と同様に、粉末X線回折、水分含有率、平均粒径および比表面積の測定を行った。その結果、得られた粉体は、斜方晶系のスコロダイト型の砒酸鉄の結晶であり、水分含有率は4.2%、平均粒径は14.71μm、比表面積は0.17m/g(BET1点法)であった。
【0040】
また、実施例1と同様の方法により、砒酸鉄粉末の結晶構造の格子定数を決定し、砒酸鉄粉末からの砒素の溶出量を評価した。その結果、本比較例では、得られた砒酸鉄粉末の結晶構造の格子定数は、a=0.89521nm、b=1.03223nm、c=1.00478nmであり、砒酸鉄粉末からの砒素の溶出量は、0.02mg/Lであり、砒素の溶出量が非常に少なかった。
【0041】
なお、実施例1〜3および比較例の砒酸鉄粉末について得られた結果を表1および表2に示す。
【0042】
【表1】

【0043】
【表2】

【0044】
また、実施例1〜3および比較例の砒酸鉄粉末について、X線回折装置(XRD)による粉末X線回折パターンを図1に示す。図1に示すように、実施例1の銅を含む砒酸鉄粉末の場合には、実施例2のナトリウムを含む砒酸鉄粉末、実施例3の亜鉛を含む砒酸鉄粉末、比較例の砒酸鉄粉末の場合と比較して、回折ピーク位置がずれており、結晶構造の格子定数に有意の差があることがわかった。
【0045】
また、実施例1の砒酸鉄粉末について、X線吸収分光測定装置(Rigaku社製のR−XAS Looper)を用いて、CuK吸収端(8980eV)とFeK吸収端(7111eV)におけるX線吸収スペクトルを測定し、そのX線吸収スペクトルに表れるEXAFS振動を得た。その結果を図2に示す。なお、図2の横軸は波数k、縦軸はkの重みをつけたEXAFS振動である。
【0046】
図2の各々のEXAFSスペクトルは、実施例1の砒酸鉄粉末の粒子内におけるCu原子とFe原子の周囲の原子配列を表しているが、互いによく一致しており、Cu原子がスコロダイト型の砒酸鉄の結晶格子中のFe原子と同じ環境にあること、すなわち、Cu原子がスコロダイト型の砒酸鉄の結晶格子中の一部のFe原子と置換されて取り込まれていることがわかる。
【0047】
すなわち、スコロダイト型の砒酸鉄と一般的な砒酸銅の結晶構造は全く異なるので、Fe原子の周囲の原子配列とCu原子の周囲の原子配列は異なるはずであるが、EXAFSスペクトルでは、これらの元素の原子配列がほぼ同様の原子配列になっているので、実施例1の砒酸鉄粉末は、砒酸銅が混合した砒酸鉄ではなく、砒酸鉄中のCu原子がFe原子とほぼ等しい環境に置かれており、砒酸鉄の結晶格子中のFe原子が入る格子点(サイト)のうち、一部にCu原子が置換されて取り込まれていることがわかった。なお、X線回折の結果から判断しても、実施例1の砒酸鉄粉末中に結晶構造の異なる砒酸銅が存在すれば、異なる回折パターンが混在しているはずであるが、実施例1の砒酸鉄粉末の回折パターンは、スコロダイト相を含む単相であり、実施例1の砒酸鉄粉末は、砒酸銅が混合した砒酸鉄ではないことがわかる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
斜方晶系の結晶構造を有し、室温、常圧における格子定数がa=0.8944〜0.8952nm、b=1.0289〜1.0322nm、c=1.0046〜1.0055nmであり、銅、ナトリウムおよび亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含有することを特徴とする、砒酸鉄粉末。
【請求項2】
前記砒酸鉄粉末の平均粒径が8μm以上、BET比表面積が2m/g以下であることを特徴とする、請求項1に記載の砒酸鉄粉末。
【請求項3】
前記平均粒径が10μm以上であることを特徴とする、請求項2に記載の砒酸鉄粉末。
【請求項4】
前記BET比表面積が0.5m/g以下であることを特徴とする、請求項2または3に記載の砒酸鉄粉末。
【請求項5】
前記砒酸鉄粉末が、銅、ナトリウムおよび亜鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含有する砒酸鉄二水塩の粉末であることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の砒酸鉄粉末。
【請求項6】
5価の砒素を含む砒素含有溶液に銅イオン、ナトリウムイオンおよび亜鉛イオンからなる群から選ばれる1種以上のイオン源を添加するとともに、2価の鉄イオン源を添加して、溶液中の鉄に対する砒素のモル比(Fe/As)を1以上にし、酸化剤を加えて撹拌しながら70℃以上に昇温させて反応させた後、固液分離して固形分を洗浄することを特徴とする、砒酸鉄粉末の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【公開番号】特開2010−202443(P2010−202443A)
【公開日】平成22年9月16日(2010.9.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−48841(P2009−48841)
【出願日】平成21年3月3日(2009.3.3)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 平成20年10月7日 社団法人資源・素材学会発行の「資源・素材 2008(仙台)‐平成20年度 資源・素材関係学協会合同秋季大会‐ 大会プログラム」に発表
【出願人】(306039131)DOWAメタルマイン株式会社 (92)
【出願人】(504157024)国立大学法人東北大学 (2,297)
【Fターム(参考)】