硫酸法制钛白粉实验方案及操作要点

硫酸法钛白粉生产一、实验目的1.熟悉常见的仪器的使用和实验方案的设计要求；2.了解硫酸法钛白粉生产工艺流程及其过程中存在的问题；3.掌握硫酸法钛白粉生产的基本方法及钛白粉产品的分析方法；4.掌握硫酸法钛白的生产原理，了解产品的常见工艺指标。

二、硫酸法钛白粉制备原理及工艺用浓硫酸分解钛矿，制取可溶性的钛的硫酸盐。

钛铁矿的主要成分为偏钛酸铁（FeTiO3），是一种弱酸弱碱盐，可以用强酸把它分解。

用过量的酸就能使反应进行到底。

酸解涉及到的方程式：FeTiO3+3H2SO4→FeSO4+Ti(SO4)2+3H2OFeTiO3+2H2SO4→FeSO4+TiOSO4+2H2OFe2O3+3H2SO4→Fe2(SO4)3+3H2O酸解浸取、还原以后的体系是一个复杂的体系，含有可溶性杂质和不溶性的杂质。

在结晶或水解、水洗的过程中除去,经过上述步骤除杂后，还有一些肉眼看不到的悬浮杂质，这些杂质将会影响到成品的色相。

因此，利用木炭粉的强吸附作用进一步除去，达到净化的目的。

然后将得到的产品浓缩使其浓度提高到水解所要求的指标。

经过水解，使二氧化钛从液相（钛液）重新转变为固相。

钛液水解是硫酸法生产钛白粉最关键的一步，为确保水解产物的质量，水解条件必须严格控制。

水解快结束的时候用水稀释，可提高钛液的水解率，但稀释过度，则会影响水合二氧化钛的质量。

水解方程式有：TiSO4+2H2O→TiOSO4+H2SO4TiOSO4+2H2O→H2TiO3↓+H2SO4水解后的水合二氧化钛含有硫酸以及铁、铝、锰、铜、镍、钒、铅等离子，必须进行水洗（其酸性滤液应回收处理）、漂白（酸性和还原条件下进行）将它们除去，否则产品将被污染。

漂白涉及到的方程式如下：H2TiO3+H2SO4→TiOSO4+2H2O2Fe(OH)3+H2SO4→Fe2(SO4)3+6H2OZn+2Fe3+→Zn2++2Fe2+Zn+2Ti4+→Zn2++2Ti3+偏钛酸在煅烧前需要加入不同类型的添加剂，以使得在煅烧过程中，温度适当，内部变化平稳，使成品的二氧化钛具有稳定的晶型，良好的色相、光泽，较好的着色力、遮盖力，较低的吸油量和合适的晶粒大小、形状，以及在使用介质中良好的分散性。

盐处理剂的作用如下：加入钾盐，可以使产品疏松、洁白，并且降低脱硫的温度，改变煅烧的条件，提高着色力等颜料性能；加入磷酸，可以使产品质地柔软，色泽比较白，并提高产品的耐候性。

然后将合格的偏钛酸与浓碱液反应得到钛酸钠（也可用固体二氧化钛与固体氢氧化钠在850℃高温下共融制得），在经过洗涤形成正钛酸，最后在浓盐酸的作用下，进行胶溶过程使正钛酸分散为脱离危险黏状的浆料。

最后进行煅烧，得到产品（工厂中的产品还必须进行粉碎和包装为成品）。

涉及到的反应方程式如下：H2TiO3+NaOH→Na4TiO4+3H2ONa4TiO4+4H2O→H4TiO4+4NaOH硫酸法生产工艺实验流程图如下：三、试剂与仪器：实验器材及药品：1酸解：烧杯500ml，玻璃棒，量程大于300℃的温度计，电炉，恒温水浴锅，恒温干燥箱，浓硫酸（98%),稀硫酸（25%），酸溶性高钛渣，水2测定酸解率即TiO2含量的测定：焦硫酸钾（固体），盐酸（ρ=1.19g／ml）硫酸（20%）硫盐混酸（20%的硫酸雨浓盐酸按1:1混合），铝片（纯度大于99.5%），饱和的碳酸氢钠溶液，5%的硫氰酸铵溶液，0.1mol／L的硫酸铁铵标准溶液，瓷坩埚（50ml），马沸炉，电炉，布氏漏斗，滤纸3沉降：烧杯（500ml），玻璃棒，温度计，电炉，电子天平，磁力搅拌器，恒温水浴锅，布氏漏斗，酸解后的钛液，蒸馏水，絮凝剂（聚丙烯酰胺ZETAG7504）4水解：电磁搅拌加热器，电炉，三口烧瓶，铁架台，温度计，烧杯，冷凝管，乳胶滴管，浓钛液，去离子水，纤维素5水解率测定：同TiO2含量的测定6水洗：1000ml烧杯，温度计，电炉，布氏漏斗，滤纸，水解后的偏钛酸，去离子水，40%硫氰酸铵溶液7漂白：1000ml的烧杯，玻璃棒，量筒，电炉，恒温水浴锅，50ml容量瓶，偏钛酸，浓硫酸（98%），去离子水，铝粉8盐处理及煅烧：500ml烧杯，玻璃棒，电子天平，容量瓶，恒温干燥箱，量筒，偏钛酸，磷酸，氢氧化钾，去离子水，煅烧晶种9煅烧：烧杯，电磁搅拌加热器，减压漏斗，温度计，三口烧瓶，冷凝管，容量瓶，漂洗后的偏钛酸，50%的氢氧化钠，去离子水，浓盐酸四、实验步骤：1 硫酸法钛白的生产1.1钛矿的预处理取一定量已知成分含量的粉碎后的钛渣，放于研钵中细磨至粉末细度为：325目筛余部大于1.5％，准确称取钛矿粉末100g备用。

1.2 钛矿的酸解将称取的100g钛渣，按照1:1.7的矿酸质量比计算出需要质量分数98%的浓硫酸的体积，然后将量好的浓硫酸倒入500mL烧杯中再用玻璃棒搅拌同时缓慢的加入钛渣粉末，加料完成后继续搅拌5分钟使之充分混合均匀。

用温度计测出混合物温度并记录，再通风、持续搅拌的情况用电热炉缓慢加热，同时注意观察温度计读数变化。

当温度上升至140℃时停止加热，继续搅拌并观察物料的变化情况，记录下冒大量烟及泡的温度，实验认为温度上升至195℃时酸解主反应开始，温度升至200℃时为主反应时间。

当主反应结束后取出温度计后继续搅拌直到反应物的固相物体固化为止，若反应物固化效果差则应继续搅拌15分钟。

然后将固相物放入恒温干燥箱中再160℃下保温熟化90分钟后，取出自然冷却至80℃左右。

2.2氧化浸去过程将熟化后的烧杯放入70℃的水浴锅中，在固相物的烧杯中加入25mL 25%的稀硫酸，并用玻璃棒搅拌。

当浸取水颜色变成紫色后缓慢加入50℃左右的去离子水30mL,继续间歇的搅拌；浸取办小时后适当增加浸取水的量，只要钛液颜色不发灰即可。

一天的补水浸取所有固相物体溶解后，定容到350mL，在浸取半小时。

2.3 沉降、浓缩过程准确称取0225g絮凝剂在小烧杯中再加入200mL左右的去离子水再用电磁搅拌器搅拌，分散8min后加入余下的300mL水分散均匀后备用，得到絮凝剂浓度为0.045%。

然后将钛液于电炉上加热到70℃，再絮凝剂于溶液1:33的比例加入到300mL钛液的大烧杯中，并搅拌均匀后，置于65℃的水浴锅中静置2小时浓缩后，小心地用滤纸抽滤后回收泥浆的钛液。

2.3 钛液的水解按照有机反应冷凝回流的模型连接好反应装置后，预热反应底水计钛液。

在烧杯中将100mL浓钛液加热到96℃，三口烧瓶中加入25.7mL去离子水，打开冷凝管的冷却水并开启搅拌将底水加热至96℃；控制加热强度使得水应比钛液先升温到温度点。

停止加热，通过滴管在4min内均匀的向三口烧瓶中加入30mL浓缩后的钛液，注意观察加料过程中颜色的变化；加料完成后重新开始加热，余下的70mL钛液控制在8-9 min内加完。

待物料加热至沸腾，并记录好沸点温度情况，在试验太上用乳胶管滴4滴去离子水形成一个水珠，第一沸点后2 min 用乳胶滴管吸取少量钛液滴一滴到去离子水水珠中，观察水滴是否浑浊；为发生变色则继续加热，每隔半分钟用此方法检验直到发生变白。

当出现变色即达到水解的“相配点”或是变灰点，关闭加热30 min 后，重新开始加热，直到把浆料加热到第二次沸腾，记录下此刻的温度，调节加热强度保持沸腾3 h 后加入5 mL 去离子水，0.1g 纤维搅拌5 min 后即可。

2.4 偏钛酸的净化将偏钛酸浆料冷去到70℃后，放于抽滤机上过滤，在用加热后的去离子水洗涤多次，当滤液收集到1L 左右时停止洗涤；再次抽滤后约取10mL 滤液,滴加3-5 滴质量分数40%的硫氰酸铵溶液并观察滤液颜色，直到不显色是认为到达洗涤终点。

2.5 偏钛酸的盐处理及煅烧将漂洗后的偏钛酸加入去离子水打浆，搅拌均匀后用容量瓶称重的方法折算出偏钛酸的浓度，控制打浆浓度（以TiO2计）在300g/L以上。

然后依次加入氢氧化钾（以K2O计为TiO2的5‟），氧化锌（TiO2的1‟）；磷酸（以P2O5计为TiO2的1‟）及煅烧晶种（为TiO2的5‟）。

每加入一种盐处理剂后都要搅拌5min 后在加入下一种。

将加入盐处理剂的偏钛酸放入恒温干燥箱中烘去大量水分，再放入马弗炉中设置好升温曲线煅烧（升温曲线为常温→200℃（保温0.5h）→400℃（保温0.5h）→700℃（保温0.5h）→880℃（保温2.5h）煅烧结束）。

待煅烧结束冷去后取出备用。

注意事项1.钛渣酸解时应注意控制温度，防止酸渣反应过于剧烈；同时应注意放置在通风处反应，以免酸解过程放出的含SO2废气引起事故，搅拌时还应注意温度要略高于玻璃棒，比满温度计碰坏。

2.氧化浸去过程应注意缓慢加水，且加水不宜过多，以免钛液发生提前水解，影响后期的水解率和产率，长时间的浸去时要注意钛液的即时补水和搅拌。

3.钛液水解是应控制好钛液和底水的温度，前期形成晶种的钛液滴加量应尽量做到准确且缓慢加入，判断变灰点事时应尽量准确。

4.偏钛酸洗涤时应用大于50℃的去离子水多次洗涤，或是先用热稀酸洗涤、在用热去离子水多次洗涤，洗涤时要注意滤纸是否有穿破，如有穿破应重新抽滤洗涤。

5.盐处理时最好采用低浓度的溶液，比便于准确控制滴加量。

五、主要控制项目的分析方法1、二氧化钛含量的测定（1）酸解浸取液中二氧化钛的测定①、方法原理：酸解浸取液中的可溶性钛多以硫酸氧钛的形式存在，可仔盐酸存在下用铝片将四价钛还原为三价钛，然后用高铁盐标准溶液滴定至三价钛全部成为四价钛，过量一滴时高铁离子与指示剂硫氰酸根（CNS-）形成红色络合物以指示剂到达终点。

②、试剂溶液硫酸：二级，1%，1:20盐酸：二级碳酸氢钠：三级，饱和溶液硫氰酸铵：40%水溶液铝片：纯度99.5%以上硫酸高铁铵：0.1N标准溶液③、分析手续：将试液充分搅匀（内含有矿渣），量取25ml，用10%硫酸稀释到100ml，减压过滤，用1:20 硫酸洗涤3-4次（滤渣留作分析）至滤液用3%H2O2检测不显色，滤液滤入250ml容量瓶中，用水稀释到刻度，摇匀。

量取此液25ml注入500ml锥形瓶中，加10%硫酸20ml，浓盐酸30ml，铝片2g，装上液封管，塞紧胶塞，在液封管中加入碳酸氢钠饱和溶液至容积体积的2/3左右，先小火加热，待反应激烈时移开热源，至反应渐缓时继续加热，。

最后用较强火加热，将溶液中的氢气全部赶净，溶液清澈时离开热源，用流水冷却至室温，在冷却过程中注意随时补加碳酸氢钠饱和溶液。

冷却后移去液封管，迅速倒入一些碳酸氢钠饱和溶液，立即用硫酸高铁铵标准溶液滴定至无色时，加入硫氰酸铵指示剂2ml，继续滴定至淡褐黄色为终点。

计算：见分解率的计算2、偏钛酸煅烧品中铁含量的测定（1）、方法原理在pH2-3的条件下，用盐酸羟胺将三价铁还原成二价铁：4FeCl3+2NH2OH·HCl→4FeCl2+H2O+6HCl+N2O然后以邻菲啰啉为显色剂在pH为5时与二价铁形成稳定的橘红色络合物进行比色，在508毫微米处有最大的吸收率。