PARTICULAS DE HIERRO PARA PURIFICAR TIERRA O AGUAS SUBTERRANEAS CONTAMINADAS.

Partículas de hierro para purificar tierra o agua subterránea,

que comprenden una fase mixta de fase a-Fe y fase Fe3O4 y que poseen una superficie específica BET de 5 a 60 m2/g, un contenido de Fe no menor que 75% en peso sobre la base del peso de las partículas de hierro y un contenido de azufre no menor que 1.000 ppm

Partículas de hierro para purificar tierra o aguas subterráneas contaminadas.

La presente invención se refiere a partículas de hierro para purificar tierra o agua subterránea contaminada, a un proceso para producir las partículas de hierro, a un agente purificador que comprende las partículas de hierro, a un proceso para producir el agente purificador, a un método para purificar la tierra o agua subterránea contaminada y al uso de las partículas de hierro o del agente purificador para purificar tierra o agua subterránea contaminada con sustancias nocivas. Más particularmente, la presente invención se refiere a partículas de hierro para purificar tierra o agua subterránea contaminada con sustancias nocivas tales como compuestos orgánicos halogenados, metales pesados, cianógenos y/o productos químicos agrícolas, que son capaces de descomponer o insolubilizar las sustancias nocivas contenidas en la tierra o agua subterránea, por ejemplo compuestos orgánicos halogenados alifáticos tales como diclorometano, tetracloruro de carbono, 1,2-dicloroetano, 1,1-dicloroetano, cis-1,2-dicloroetano; 1,1,1-tricloroetano, 1,1,2-tricloroetano, tricloroetileno, tetracloroetileno y 1,3-dicloropropeno, compuestos orgánicos halogenados aromáticos tales como dioxinas y PCB y/o metales pesados tales como cadmio, plomo, cromo (VI), arsénico y selenio, así como cianógeno o similares, de manera eficiente, continua y económica; un proceso para producir la partícula de hierro; un agente purificador que comprende las partículas de hierro; un proceso para producir el agente purificador; y un método para purificar la tierra o agua subterránea contaminada con las sustancias nocivas tales como compuestos orgánicos halogenados, metales pesados, cianógenos y/o productos químicos agrícolas.

En la presente invención, el término purificar utilizado en la presente memoria significa que en el caso de los compuestos orgánicos halogenados como sustancias nocivas, los compuestos orgánicos halogenados contenidos en la tierra o agua subterránea se descomponen, purificando de ese modo la tierra o agua subterránea contaminada con los compuestos orgánicos halogenados, o en el caso de metales pesados o cianógenos como sustancias nocivas, los metales pesados o cianógenos contenidos en la tierra o agua subterránea se insolubilizan, purificando de ese modo la tierra o agua subterránea contaminada con los metales pesados o cianógenos. Además, en la presente invención, el término agente purificador utilizado en la presente memoria significa un agente que descompone los compuestos orgánicos halogenados contenidos en la tierra o agua subterránea, o insolubiliza los metales pesados o cianógenos contenidos en la tierra o agua subterránea.

Los compuestos orgánicos halogenados alifáticos tales como tricloroetileno, tetracloroetileno o similares se han utilizado extensamente para limpieza en fábricas de semiconductores y para desengrasar metales para maquinado.

También, los gases de desecho, las cenizas volantes o las cenizas principales descargadas de un horno de incineración para quemar la basura municipal o desechos industriales, contienen dioxinas como compuestos orgánicos halogenados aromáticos que poseen una toxicidad extremadamente alta para los cuerpos humanos aunque su proporción está en el orden de las trazas. Las dioxinas son el nombre genérico de los compuestos obtenidos sustituyendo átomos de hidrógeno de la dibenzo-p-dioxina, dibenzofurano, etc., con átomos de cloro. Los gases de desecho o cenizas volantes permanecen continuamente alrededor del horno de incineración, dando como resultado dioxinas residuales en la tierra de las zonas circundantes.

Además, el PCB (bifenilo policlorado) se había utilizado en muchas aplicaciones como aceites aislantes, plastificantes o medio calefactor para transformadores, capacitores, etc., debido a la elevada estabilidad química, estabilidad térmica y excelentes propiedades de aislación eléctrica del mismo. Debido a que el PCB es muy nocivo, la producción y uso del mismo se ha prohibido actualmente. Sin embargo, hasta ahora no se ha establecido ningún método efectivo para tratar el PCB utilizado en el pasado y, por ello, una gran parte del mismo aún se ha conservado sin tratamiento ni eliminación.

Los compuestos orgánicos halogenados alifáticos y compuestos orgánicos halogenados aromáticos descritos más arriba son difíciles de descomponer, y además exhiben carcinogénesis así como una fuerte toxicidad. Por ello, surge una polución medioambiental tan importante que la tierra o el agua subterránea se contaminan con estos compuestos orgánicos halogenados.

Más específicamente, con la descarga de dichos compuestos orgánicos halogenados, los compuestos orgánicos halogenados aromáticos tales como las dioxinas y el PCB que son difícilmente descomponibles y exhiben una fuerte toxicidad, causan importantes problemas medioambientales tales como contaminación de tierra y agua subterránea. En el caso donde dichos compuestos halógenos aromáticos difícilmente descomponibles se acumulan en la tierra, la tierra se contamina con los mismos y como resultado, la tierra contaminada después causa la contaminación del agua subterránea por los compuestos orgánicos halogenados. Además, el agua subterránea contaminada emerge de la tierra contaminada a las regiones circundantes, de manera que la polución por los compuestos orgánicos halogenados se expande hacia áreas mucho más vastas.

El terreno en el que la tierra se contamina una vez con los compuestos orgánicos halogenados, no puede reutilizarse y desarrollarse nuevamente. Por ello, se han propuesto varias técnicas o métodos para purificar la tierra y agua subterránea contaminada con los compuestos orgánicos halogenados. Sin embargo, debido a que los compuestos orgánicos halogenados son difícilmente descomponibles y se debe purificar una gran cantidad de tierra y agua subterránea, hasta ahora no se ha podido establecer completamente ninguna técnica o método purificador eficiente y económico.

En forma alternativa, la contaminación de la tierra o el agua subterránea por otras sustancias nocivas, que incluyen metales pesados tales como cadmio, plomo, cromo (VI) y arsénico, así como cianógeno, etc., afecta negativamente los cuerpos humanos y el ecosistema. Por ello, se ha requerido con urgencia la purificación y eliminación de las sustancias nocivas mencionadas.

Como método para purificar la tierra contaminada con los compuestos orgánicos halogenados se conocen un método purificador que utiliza varios catalizadores; un método para absorber y eliminar los vapores de los compuestos orgánicos halogenados por volatilidad de los mismos; un método de descomposición térmica para tratar con calor la tierra excavada para hacer que la tierra resulte inocua; un método para purificar la tierra mediante microorganismos; o similares. Además, como métodos para purificar el agua subterránea contaminada con los compuestos orgánicos halogenados, se conocen un método de extracción del agua subterránea contaminada de la tierra para tratar el agua subterránea convirtiéndola en inocua; un método de bombeo del agua subterránea contaminada para eliminar los compuestos orgánicos halogenados de la misma; o similares.

Entre estos métodos convencionales para purificar la tierra o el agua subterránea contaminada con los compuestos orgánicos halogenados, se han propuesto varios métodos para purificar la tierra o el agua subterránea contaminada con los compuestos orgánicos halogenados convirtiéndolos en inocuos, mezclando y poniendo en contacto la tierra o agua subterránea con un agente purificador compuesto por partículas basadas en hierro. También, se conocen métodos para descomponer y eliminar los compuestos orgánicos halogenados utilizando partículas basadas en hierro tales como partículas de óxido de hierro en escamas, de hierro granular y de hierro esponja producidas en las industrias de fabricación de hierro y acero (Solicitud de la Patente Japonesa en Trámite (KOKAI) Núm. 10-71386(1998), 11-235577(1999), 11-253908(1999), 2000-5740, 2000-225385, 2000-237768, 2000-334063, 2001-38341, 2001-113261, 2001-198567 y 2002-161263).

Aquí, se describen los procesos generales de fabricación del hierro y del acero.

Los procesos de fabricación de hierro y acero en general se clasifican en un proceso indirecto de reducción de mineral de hierro primero a hierro en bruto fundido y después refinación por oxidación el hierro en bruto a acero, y un proceso directo para convertir directamente el mineral de hierro en acero sin pasar por la producción...

1. Partículas de hierro para purificar tierra o agua subterránea, que comprenden una fase mixta de fase a-Fe y fase Fe₃O₄ y que poseen una superficie específica BET de 5 a 60 m²/g, un contenido de Fe no menor que 75% en peso sobre la base del peso de las partículas de hierro y un contenido de azufre no menor que 1.000 ppm.

2. Partículas de hierro de acuerdo con la reivindicación 1, en las que la relación entre la intensidad de difracción D₁₁₀ del plano (110) de a-Fe y la suma de la intensidad de difracción D₃₁₁ del plano (311) de la magnetita y la intensidad de difracción D₁₁₀ (D₁₁₀/(D₃₁₁+D₁₁₀)), cuando se mide a partir del espectro de difracción de rayos X de los mismos, es de 0,20:1 a 0,98:1.

3. Partículas de hierro de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que además poseen un valor de magnetización de saturación de 60 a 200 Am²/kg y un tamaño de cristalitas D₁₁₀ del plano (110) de a-Fe de 200 a 500 Å.

4. Partículas de hierro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que no contienen sustancialmente Cd, Pb, As ni Hg y que poseen un contenido de a-Fe de 30 a 99% en peso sobre la base del peso de las partículas de hierro.

5. Partículas de hierro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en las que las partículas de hierro poseen un contenido de azufre no menor que 1.500 ppm.

6. Partículas de hierro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que poseen una superficie específica BET de 5 a 50 m²/g y contienen pequeñas partículas que poseen un diámetro de partícula de 0,05 a 0,50 µm en una cantidad no menor que 20% en volumen sobre la base del volumen de las partículas de hierro y partículas grandes que poseen un diámetro de partícula de 0,5 a 5,0 µm en una cantidad menor que 80% en volumen sobre la base del volumen de las partículas de hierro.

7. Partículas de hierro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que poseen un diámetro de partícula promedio de 0,05 a 0,50 µm.

8. Partículas de hierro de acuerdo con la reivindicación 7, que poseen un contenido de azufre no menor que 2.000 ppm, un valor de magnetización de saturación de 60 a 190 Am²/kg, una superficie específica BET de 5 a 50 m²/g, un tamaño de cristalitas D₁₁₀ del plano (110) de a-Fe de 220 a 480 Å y un contenido de Fe de 75 a 98% en peso sobre la base del peso de las partículas de hierro.

9. Partículas de hierro de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, que poseen un diámetro de partícula promedio de 0,05 a 0,30 µm.

10. Partículas de hierro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que poseen un contenido de azufre de 3.500 a 10.000 ppm.

11. Partículas de hierro de acuerdo con la reivindicación 10, que poseen un valor de magnetización de saturación de 90 a 190 Am²/kg y un tamaño de cristalitas D₁₁₀ del plano (110) de a-Fe de 200 a 400 Å.

12. Partículas de hierro de acuerdo con la reivindicación 10, que poseen un contenido de a-Fe de 40 a 99% en peso sobre la base del peso de las partículas de hierro, un contenido de azufre de 3.800 a 10.000 ppm, una relación entre la intensidad de difracción D₁₁₀ del plano (110) de a-Fe y la suma de la intensidad de difracción D₃₁₁ del plano (311)de magnetita y la intensidad de difracción D₁₁₀ (D₁₁₀/(D₃₁₁+ D₁₁₀)) de 0,30:1 a 0,98:1 cuando se mide a partir del espectro de difracción de rayos X de los mismos, un valor de magnetización de saturación de 95 a 190 Am²/kg, un tamaño de cristalitas D₁₁₀ del plano (110) de a-Fe de 200 a 350 Å, un diámetro de partícula promedio de 0,05 a 0,30 µm y una superficie específica BET de 7 a 55 m²/g.

13. Partículas de hierro de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que exhiben una elución de cadmio no mayor que 0,01 mg/litro, ninguna elución detectada de cianógeno total, una elución de plomo no mayor que 0,01 mg/litro, una elución de cromo (VI) no mayor que 0,05 mg/litro, una elución de arsénico no mayor que 0,01 mg/litro, una elución de mercurio total no mayor que 0,0005 mg/litro, una elución de selenio no mayor que 0,01 mg/litro, una elución de flúor no mayor que 0,8 mg/litro y una elución de boro no mayor que 1 mg/litro y que poseen un contenido de a-Fe de 30 a 99% en peso sobre la base del peso de las partículas de hierro.

14. Partículas de hierro de acuerdo con la reivindicación 13, que poseen un contenido de a-Fe de 35 a 99% en peso sobre la base del peso de las partículas de hierro, una relación entre la intensidad de difracción D₁₁₀ del plano (110) de a-Fe y la suma de la intensidad de difracción D₃₁₁ del plano (311) de magnetita y la intensidad de difracción D₁₁₀ (D₁₁₀/(D₃₁₁+D₁₁₀)) de 0,30:1 a 0,98:1 cuando se mide a partir del espectro de difracción de rayos X de los mismos, un valor de magnetización de saturación de 95 a 190 Am²/kg, un tamaño de cristalitas D₁₁₀ del plano (110) de a-Fe de 200 a 350 Å, un diámetro de partícula promedio de 0,05 a 0,30 µm y una superficie específica BET de 7 a 55 m²/g.

15. Un agente purificador para tierra o agua subterránea contaminada con sustancias nocivas, que comprende una suspensión acuosa que contiene, como componente efectivo, partículas de hierro definidas en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

16. Un agente purificador de acuerdo con la reivindicación 15, en el que las partículas de hierro poseen un diámetro medio del eje principal de 0,05 a 0,50 µm, una relación de aspecto mayor que 1,0:1 a 2,0:1, y un contenido de a-Fe de 30 a 99% en peso sobre la base del peso de las partículas de hierro, y

que además comprende partículas secundarias de las partículas de hierro, que exhiben una distribución de tamaño de partícula con un único máximo y que poseen una mediana del diámetro D50 (diámetro de partícula correspondiente a un volumen acumulativo de partículas de 50% medido y acumulado con respecto a los diámetros respectivos de las partículas y expresado en porcentaje sobre la base del volumen total de partículas de hierro como 100%) de 0,5 a 5,0 µm y una relación de D₉₀ a D₁₀ de 1,0:1 a 5,0:1.

17. Un agente purificador de acuerdo con la reivindicación 16, en el que la suspensión acuosa posee un peso específico de 1,2 a 1,4 y la concentración de dichas partículas de hierro contenidas en el mismo es 20 a 40% en peso.

18. Un proceso para producir partículas de hierro definidas en la reivindicación 1, que comprende:

(a) reducir térmicamente a una temperatura de 250 a 600ºC partículas de goetita que poseen un diámetro medio del eje principal de 0,05 a 0,50 µm o partículas de hematita obtenibles por deshidratación térmica de dichas partículas de goetita a una temperatura de 250 a 350ºC, produciendo de ese modo partículas de hierro; y

(b)(i) después de enfriar, transferir las partículas de hierro a agua sin formar una película de oxidación sobre la superficie de las partículas de hierro en una fase gaseosa, formar una película de oxidación sobre la superficie de las partículas de hierro en agua, y después secar las partículas de hierro obtenidas, o

(ii) después de enfriar, formar una película de oxidación sobre la superficie de las partículas de hierro en una fase gaseosa.

19. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 18, en el que las partículas de goetita poseen un contenido de azufre de 2.200 a 6.300 ppm y las partículas de hematita poseen un contenido de azufre de 2.400 a 7.000 ppm.

20. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 18 o 19, en el que las partículas de goetita se producen purificando una solución acuosa de sal ferrosa, añadiendo una solución acuosa de hidróxido alcalino o una solución acuosa de carbonato alcalino a la solución acuosa de sal ferrosa para formar una suspensión acuosa que contiene un precipitado que contiene material ferroso, y oxidando la suspensión acuosa que contiene el precipitado que contiene material ferroso.

21. Un proceso para producir un agente purificador definido en la reivindicación 15, que comprende;

(a) reducir térmicamente a una temperatura de 250 a 600ºC partículas de goetita que poseen un diámetro medio del eje principal de 0,05 a 0,50 µm o partículas de hematita obtenibles deshidratando térmicamente las partículas de goetita a una temperatura de 250 a 350ºC, produciendo de ese modo partículas de hierro; y

(b)(i) después de enfriar, transferir las partículas de hierro a agua sin formar una película de oxidación sobre la superficie de las partículas de hierro en una fase gaseosa, y formar una película de oxidación sobre la superficie de las partículas de hierro en agua, o

(ii) después de enfriar, formar una película de oxidación sobre la superficie de las partículas de hierro en una fase gaseosa y transferir las partículas de hierro a agua,

obteniendo de ese modo una suspensión acuosa que contiene las partículas de hierro.

22. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 21, en el que las partículas de goetita poseen un contenido de azufre de 2.200 a 6.300 ppm y las partículas de hematita poseen un contenido de azufre de 2.400 a 7.000 ppm.

23. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 21 o 22, en el que las partículas de goetita se producen purificando una solución acuosa de sal ferrosa, añadiendo una solución acuosa de hidróxido alcalino o una solución acuosa de carbonato alcalino a la solución acuosa de sal ferrosa para formar una suspensión acuosa que contiene un precipitado que contiene material ferroso, y oxidando la suspensión acuosa que contiene el precipitado que contiene material ferroso.

24. Un método para purificar tierra o agua subterránea contaminada con sustancias nocivas, que comprende mezclar y poner en contacto partículas de hierro según lo definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 con la tierra o agua subterránea contaminada con sustancias nocivas.

25. Un método para purificar tierra o agua subterránea contaminada con sustancias nocivas, que comprende mezclar y poner en contacto un agente purificador según lo definido en una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17 con la tierra o agua subterránea contaminada con sustancias nocivas.

26. Uso de partículas de hierro según lo definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 o un agente purificador según lo definido en una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17 para purificar tierra o agua subterránea contaminada con sustancias nocivas.