硫酸法钛白粉生产工艺中间体偏钛酸中除铁技术的研究

基金项目:湖南省科技计划项目(05J T1016);株洲化工集团科技合作
项目。

作者简介:李芬芳(1964-),女,博士,教授,主要从事纳米材料应用
研究和教学工作。

硫酸法钛白粉生产工艺中间体偏钛酸中除铁技术的研究
李芬芳1,龙海云1,樊玉川2,李景胜3,陶 琦4
(1 中南大学,湖南长沙 410083;2 湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015;3 株州化工集团,湖南株州 412004;4 云南冶炼厂,云南昆明 650102)
摘 要:以硫酸法钛白粉生产工艺中间体偏钛酸为原料,考查了离心洗涤分离、抽滤洗涤分离和无机陶瓷膜洗涤分离三种方法对除铁效率的影响,采用分光光度法测量洗涤液中铁含量和火焰原子吸收法测量固体中铁含量。

结果表明:以上三种洗涤分离方法都可以将二氧化钛粉体中铁含量降到30 g/g 以下,但陶瓷膜洗涤工艺可以实现连续操作,且洗涤后二氧化钛粉体的分散性好,是一种值得关注的新工艺。

关键词:偏钛酸;铁含量;分离技术;无机陶瓷膜
中图分类号:TQ110 文献标识码:A 文章编号:1003-5540(2006)04-042-03
硫酸法钛白粉生产工艺以钛铁矿为原料,微压水解生成水合二氧化钛,即偏钛酸[1,2],偏钛酸水洗后铁以氢氧化高铁形式存在,高温煅烧时生成红色
的氧化铁,具有与金红石型二氧化钛相同的微晶结构,当铁的含量高于30 g/g 时,金红石二氧化钛呈现黄色,当铁的含量高于90 g/g 时,会影响锐钛型二氧化钛的白度;而且,微量的铁会形成活性靶点,影响二氧化钛作为颜料的性能[3,4]。

因此,提高偏钛酸的水洗效率,降低铁杂质含量对提高二氧化钛产品的质量具有重要作用。

本文就离心分离,洗涤分离,膜分离工艺对偏钛酸中除铁情况进行了研究。

1 试验条件和方法
1 1 主要原料、试剂和仪器
1 原料:偏钛酸(工业级,株洲永利化工股份公司)。

2 试剂:盐酸羟胺(分析纯)、邻二氮菲(分析纯)、盐酸(分析纯)、硫酸亚铁胺(分析纯)。

3 仪器:台式离心机(上海安亭科学仪器厂)、SHB- 循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司)、无机陶瓷膜分离器(湖南恒辉环保实业有限
公司)、紫外-可见光分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)以及原子吸收分光光光度计(日本津岛)。

1 2 试验方法
1 取2g 水解后的偏钛酸,加入20mL 去离子水,用离心洗涤分离方法除铁。

2 取20g 水解后的偏钛酸浆液,加入200mL 去离子水稀释,用抽滤洗涤方法除铁。

3 取200g 水解后的偏钛酸,加入2000mL 去离子水,用无机陶瓷膜洗涤分离方法除铁。

在固液分离过程中,添加不同的水量或不同pH 值的水以考查除铁效果。

1 3 分析方法
收集滤液并用分光光度计测量铁含量,洗涤后的固体在500 下煅烧,用火焰原子吸收法测定铁的含量。

为便于分析对比试验结果,将试验结果都换算成20g 偏钛酸的用水量及铁的含量。

分别采用邻二氮菲分光光度法
[5]
和火焰原子吸收法
[6]
测定水
溶液中铁离子含量和二氧化钛粉体中铁残留量。

2 结果与讨论
2 1 洗涤水用量对除铁效果的影响
分别取20g 水解后的偏钛酸浆液,加入200mL 去离子水稀释,分别用抽滤洗涤分离方法、离心洗涤分离方法、陶瓷膜洗涤分离方法实现固液分离。

在
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湖南有色金属
HUNAN NONFERROUS METALS
第22卷第4期2006年8月
洗涤过程中添加去离子水,并收集洗涤后的水溶液,取0 5mL 待测滤液稀释至25mL 溶液,用分光光度计法测定吸光度值,代入回归方程中即可得到待测液中铁含量,根据洗涤溶液的体积计算出总的铁含量。

测定结果如图1
所示。

图1 用水量对除铁的影响结果
1-离心洗涤分离;2-抽滤洗涤分离;3-陶瓷膜洗涤分离
图1结果表明随着洗涤水量的增加,水溶液中
总铁的质量也逐步增加,当用水量大于500m L 时曲线变得平滑,铁的洗涤变得困难,洗涤水用量在700mL 时,总铁含量基本不变。

同时表明陶瓷膜洗涤分离方式除铁效果最好,抽滤洗涤分离方式次之,离心洗涤分离方式最差。

其原因是由于三种洗涤分离的物理方式不一样:离心洗涤分离是在离心机高速旋转过程中,实现固液分离,偏钛酸三次粒子对铁离子的吸附能力较大,离心沉降后,偏钛酸紧紧帖在底部,随着水量增加,pH 值上升,铁离子以氢氧化物沉淀形式存在而难以分离,只有多次打浆洗涤才能到达除铁目的;抽滤洗涤分离是在去离子水流通的过程中,不断的将铁离子带出,但是当形成紧密的滤饼时,洗涤的效率下降;陶瓷膜洗涤分离方式采用无机陶瓷膜错流洗涤,并配以在线反冲技术,不形成滤饼,实现原位洗涤,洗涤的效率明显要高于其它二种方式。

2 2 洗涤水pH 值对除铁效率的影响
根据图1洗涤水用量对除铁的影响曲线,为了保证除铁效果,稳定工艺条件,在700mL 去离子水中添加少量酸调节pH 值,考查除铁效果。

将洗涤分离后偏钛酸沉淀置于马弗炉中,以每分钟5 的升温速度升温至500 处煅烧2h,采用火焰原子吸收法测定铁的含量。

结果如图2所示。

图2结果表明,二氧化钛粉体的铁含量随着偏
钛酸洗涤水的pH 值增大而增大,并且分成了三个平
台,这是由于Fe 3+离子pH 值在1 5~4 1时以Fe(OH)3沉淀形式沉降吸附在偏钛酸上,而Fe 2+离子pH 值在5 8~9 1以Fe(OH )2沉淀形式沉降吸附在偏钛酸上,因此当洗涤水pH 值为0 5~2 5时Fe 3+离子和Fe 2+离子很容易被洗涤除去;当洗涤水pH 值为2 5~4 5时,Fe 3+
离子以Fe(OH)3沉淀形式沉降吸附在偏钛酸上,造成二氧化钛中铁含量上升,Fe 2+离子很容易被洗涤除去;当洗涤水pH 值为4 5~6 5时,Fe 3+离子和Fe 2+离子分别以Fe(OH)3和Fe(OH)2沉淀形式沉降吸附在偏钛酸上,造成铁含量上升形成新的平台。

同时还发现三种除铁方式中以陶瓷膜洗涤分离方式最好,抽滤洗涤分离方式次之,离心洗涤分离方式最差,原因也是因为洗涤的物理过程的不同,离心过程造成偏钛酸三次离子、铁离子及沉淀
的大量吸附和沉降;抽滤洗涤分离也因为形成致密的滤饼,使得铁离子流通通道阻塞而不易除去;陶瓷膜洗涤分离方式采用无机陶瓷膜错流洗涤,并配以在线反冲技术,不形成滤饼,实现原位洗涤,因而洗涤效率高,而且处理量大,可以实现连续化操作,有利于在工业上推广。

图2 洗涤水pH 值对除铁的影响结果
1-抽滤洗涤分离;2-离心洗涤分离;3-陶瓷膜洗涤分离
2 3 不同洗涤分离方式对偏钛酸分散性的影响
根据图2的试验结果,在700mL 去离子水中加盐酸调节pH 值为1,分别采用抽滤洗涤分离方式,离心洗涤分离方式和无机陶瓷膜洗涤分离方式除铁净化偏钛酸。

将洗涤净化的偏钛酸配成固含量为20%(以二氧化钛计量)的pH 值为1的悬浮液,并加入少量分散剂,超声分散15min 。

将三种悬浮液置于10mL 带刻度的试管中,观察其沉降情况,悬浮液上层随着偏钛酸的沉降而澄清。

上层澄清体积变化结果如图3所示。

图3结果显示,无机陶瓷膜洗涤分离方式除铁
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第4期李芬芳,等:硫酸法钛白粉生产工艺中间体偏钛酸中除铁技术的研究
图3 偏钛酸悬浮液澄清体积随时间的变化情况
1-离心洗涤分离;2-抽滤洗涤分离;3-陶瓷膜洗涤分离
净化后的偏钛酸分散性要优于其它二种除铁方式。

这是由于其他二种洗涤净化方式,在偏钛酸和铁的分离时,沉降和过滤都造成偏钛酸三次离子的相互交联成团,而少量的Fe(OH)3和Fe(OH)2的羟基在偏钛酸沉淀上构成羟桥,在煅烧时,以同晶混合物形式进入二氧化钛的晶格中,影响产品的颜色和品质。

由于工业上水洗后的偏钛酸要经过喷雾干燥和煅烧处理,偏钛酸的分散性好,有利于减少喷雾干燥和煅烧过程中的团聚问题,有利于提高二氧化钛粉体的分散性,拓宽二氧化钛粉体的应用领域。

3 结 论
对三种除铁工艺,洗涤水用量大于500mL 后,铁的洗涤变得困难,以无机陶瓷膜洗涤分离除铁效果最好,且除铁后偏钛酸的分散性更好;随着洗涤水pH 值升高,煅烧后的二氧化钛粉体中铁含量上升,并明显呈现三个平台,三种除铁工艺都可以将铁含量降至30 g/g 以下。

但在此条件下,也以无机陶瓷膜洗涤分离效果最好。

无机陶瓷膜洗涤除去偏钛酸
中铁杂质,除铁效果好,洗涤量大,可以连续操作,是一种具有应用潜力的新工艺。

参考文献:
[1] 裴润 硫酸法钛白生产[M] 北京:化学工艺出版社,1982 [2] 邓捷,吴立峰 钛白粉应用手册[M ] 北京:化学工业出版社,
2005
[3] 魏绍东,王杏 工业生产纳米二氧化钛存在的问题与解决方案
[J].现代化工,2005,25(8):50-52
[4] 高濂,郑珊,张青红 纳米氧化钛光催化材料及应用[M ] 北京:
化学工业出版社,2003
[5] 邓珍灵 现代分析化学试验[M ] 长沙:中南大学出版社,2001 [6] 姚虹,魏振枢 火焰原子吸收法测定钛白粉中铁的含量[J] 河
南化工,2001,(8):34-35
收稿日期:2006-04-25
The Technology Research on Iron Separation
from Metatitanic
LI Fen fang 1
,LONG Hai yun 1
,FAN Yu chuan 2
,LI Jing sheng 3
,TAO Qi
4
(1 Central South University ,Changsha 410083,China;
2 Hunan Research Institute o f Non ferrous Metals ,Changsha 410015,China;
3 Zhuzhou Chemical Group Cor p ,Zhuzhou 412004,China;
4 Yunnan Smelting Factory ,Kunming 650102,China)
Abstract:In order to separate Iron from the intermediation Metatitanic of Titanium white production by Sulfuric Acid pro cess,the effection of Iron separation of centrifugal washing separation method 、filtrate washing separation method and inor ganic ceramic film washing method had been studied The Iron content in the filtrate and the dried Titanium Dioxide powder was determined by spectrometry and flame atomi absorption spectrometry The results indicate that Iron content in the Tita nium Dioxide powder can all be reduced to below 30 g/g by using three kinds of separating methods,but the dispersing ability of Metatitanic washed by using inorganic ceramic film separating method was much better than the others and this new kind of separating technology should be paid more attention
Key words:Metatitanic;Iron content;separating technology;inorganic ceramic film
44湖南有色金属第22卷。