硫酸法钛白粉生产中的除铁工艺研究

硫酸法钛白粉生产中的除铁工艺研究

硫酸法产生的钛白粉的生产工艺以钛铁矿为原料，通过微压反应产生水合二氧化钛，即钛酸。钛酸被水曲化后，铁以氢氧化钛的形式存在。在高温下形成红色的氧化铁，具有与金红石二氧化钛相同的微观结构。当铁含量高于30g时，金红石二氧化钛呈黄色。当铁含量高于90g时，它会影响锐钛二氧化钛的白色。此外，微铁形成了一个活跃的靶点，并影响了用作染料的二氧化钛的性能。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合成产物的合成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-Ⅲ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偏钛酸水解清除工剂的制备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偏钛酸含量测定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和火焰原子吸收法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除铁方式的确定分别取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500mL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除铁方式分类及除铁过程出现的原因见表3、2、2和5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Fe3+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Fe2+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Fe3+离子和Fe2+离子很容易被洗涤除去;当洗涤水pH值为2.5～4.5时,Fe3+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,Fe2+离子很容易被洗涤除去;当洗涤水pH值为4.5～6.5时,Fe3+离子和Fe2+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。2.3无机陶瓷膜洗涤分离过程中的分散性根据图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除铁后偏钛酸分散性好对三种除铁工艺,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;