吳健春，任亞平，路瑞芳

（攀鋼集團(tuán)研究院有限公司，釩鈦資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川攀枝花617000）

工業(yè)技術(shù)

沸騰狀態(tài)對硫酸氧鈦水解的影響

吳健春，任亞平，路瑞芳

（攀鋼集團(tuán)研究院有限公司，釩鈦資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川攀枝花617000）

采用硫酸氧鈦外加晶種水解工藝制備偏鈦酸，研究了水解二沸過程中微沸和爆沸兩種狀態(tài)得到偏鈦酸的沉降規(guī)律，采用馬爾文2000型激光粒度儀對不同沸騰狀態(tài)水解制得偏鈦酸粒子的粒度分布進(jìn)行分析，并通過比表面分析儀測定兩種水解方式制得鈦白初品的比表面積和孔徑。結(jié)果表明，爆沸狀態(tài)得到的偏鈦酸具有較小的粒徑、較大的沉降速率、較大的比表面積、較大的孔徑和較好的藍(lán)相（SCX），水解沸騰狀態(tài)對鈦白初品的其他顏料性能影響不大。

水解；偏鈦酸；粒度分布；沉降速度；比表面積

硫酸法制備二氧化鈦工藝水解工序是整個(gè)工藝的核心，它是把黑色的硫酸氧鈦溶液通過加熱水解從母液中析出白色水合二氧化鈦沉淀，從而與母液中其他可溶性金屬雜質(zhì)離子分離進(jìn)一步提純二氧化鈦的過程。水解產(chǎn)物的質(zhì)量不僅影響后續(xù)操作，而且直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，是整個(gè)工藝要求最苛刻的工序之一，水解反應(yīng)控制不當(dāng)將造成無法彌補(bǔ)的質(zhì)量損失［1］。

影響水解的因素有很多，主要包括鈦液濃度、鈦液酸度系數(shù)（F）、鈦液穩(wěn)定性、晶種質(zhì)量、晶種加量等［2-3］，鈦液質(zhì)量和晶種加量等對水解的影響已被大量研究，但是水解過程中沸騰狀態(tài)對水解的影響研究較少。

鈦液水解過程中沸騰狀態(tài)的不同可導(dǎo)致偏鈦酸粒子的團(tuán)聚狀態(tài)出現(xiàn)差異，從而導(dǎo)致最終洗滌速度出現(xiàn)差異，因此研究水解過程中鈦液沸騰狀態(tài)對水解偏鈦酸質(zhì)量的影響很有必要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及設(shè)備

原料：濃鈦液［TiO2質(zhì)量濃度為 200 g/L，F(xiàn)為1.88，鐵鈦比（鐵與二氧化鈦質(zhì)量濃度比）為0.28］、NaOH溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）。

設(shè)備：馬爾文2000型激光粒度儀、V-Sorb 2800型比表面儀、程控?cái)嚢杵?、蠕動泵、電熱套等?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）晶種制備。開啟攪拌，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%~ 10.0%的氫氧化鈉溶液，并預(yù)熱到85℃。將晶種鈦液預(yù)熱到85℃后迅速加入到氫氧化鈉溶液中，迅速升溫到92~95℃反應(yīng)10~20 min，測定晶種的穩(wěn)定性在120~130 mL（量取10 mL晶種加水直到溶液水解變白所消耗的水的體積），完成晶種制備。

2）水解。將鈦液預(yù)熱到96℃左右，將制備好的晶種快速加入到鈦液中混合5 min，然后升溫到沸騰。當(dāng)鈦液顏色變?yōu)殇摶疑ɑ尹c(diǎn)）后停止攪拌和停

止加熱30 min。然后將鈦液二次升溫到沸騰，讓鈦液分別處于微沸和爆沸狀態(tài)，保溫一定時(shí)間后加入稀釋水，再保溫一段時(shí)間，水解結(jié)束。水解結(jié)束后檢測偏鈦酸的沉降速度和粒度分布；取一部分偏鈦酸洗滌后在105℃干燥4 h測試其比表面積和孔徑；取一部分偏鈦酸經(jīng)鹽處理后煅燒測試鈦白粉顏料性能。

3）沉降速度檢測。取125 mL偏鈦酸漿料置于500 mL量筒中，加水到500 mL，搖勻后靜置，記錄經(jīng)過不同時(shí)間分層后上清液的體積。

4）比表面積和孔徑測試。將偏鈦酸用20倍水洗滌后在105℃烘干，使用V-Sorb 2800型比表面儀進(jìn)行孔徑測試，采用 BET法得到比表面積［4-6］、BJH法得到孔徑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沸騰狀態(tài)對沉降速率的影響

按照1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行水解，在二沸過程中分別采用微沸水解和爆沸水解，對水解偏鈦酸的沉降速度進(jìn)行測試，結(jié)果見圖1。

從圖1可見兩種水解條件得到的偏鈦酸均表現(xiàn)出類似的沉降規(guī)律，沉降速度先迅速增加到最大值并保持一段時(shí)間后又開始下降。對于靜止的懸浮液顆粒其沉降速度由粒子重力、所受浮力和液體阻力決定：初始顆粒速度為0，因而液體阻力為0；由于偏鈦酸密度大于水的密度，顆粒在重力與浮力作用下向下做加速運(yùn)動，隨著顆粒沉降速度的增加液體阻力也隨之增加，最終重力、浮力和液體阻力達(dá)到平衡，這時(shí)顆粒沉降速度達(dá)到最大并保持勻速運(yùn)動；直到顆粒到達(dá)底部沉積區(qū)，運(yùn)動速度開始下降，并最終沉積在容器底部。若顆粒為球形，最大沉降速度μ滿足式（1）［7］。

式中：ρ為顆粒密度；ρL為液體密度；d為顆粒直徑；ξ為液體阻力系數(shù)。

從式（1）可見，顆粒越大其下降的最大速度越大。從圖1可以看出，爆沸水解得到的偏鈦酸的沉降速度比微沸水解得到的偏鈦酸的沉降速度快，這表明爆沸水解得到的偏鈦酸的二次團(tuán)聚粒子比微沸得到的偏鈦酸的二次團(tuán)聚粒子大。這是因?yàn)楸兴膺^程中偏鈦酸粒子運(yùn)動比較劇烈，相當(dāng)于增大了攪拌強(qiáng)度，使其二次團(tuán)聚的程度較微沸水解弱，因而偏鈦酸粒子比較細(xì)，水解結(jié)束后這些細(xì)粒子更容易發(fā)生再次團(tuán)聚形成大的團(tuán)聚體從而快速沉降。

2.2 沸騰狀態(tài)對粒度分布的影響

使用馬爾文2000型激光粒度儀對偏鈦酸漿料進(jìn)行檢測，其粒度分布見圖2，平均粒徑見表1。

從圖2和表1可見，爆沸水解偏鈦酸粒度較微沸水解偏鈦酸粒度細(xì)，小于1 μm粒子比例較多。由于粒度測試過程中持續(xù)的超聲波分散作用，這些小顆粒不易發(fā)生再團(tuán)聚，一旦脫離超聲波分散將漿料靜置一段時(shí)間，這些小于1 μm的粒子在存放過程中極易發(fā)生團(tuán)聚形成大顆粒而快速沉降下來。

2.3 沸騰狀態(tài)對鈦白初品孔徑的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種沸騰狀態(tài)下得到的偏鈦酸的粒度差異，使用V-Sorb 2800型比表面儀分別對微沸和爆沸水解制得鈦白初品進(jìn)行比表面積測試（BET法）和孔徑測試（BJH法），結(jié)果見圖3和表2。

從圖3可見，爆沸水解得到的鈦白初品的吸附量比微沸水解得到的鈦白初品的吸附量大約1倍；從表2可見，爆沸水解得到的鈦白初品的比表面積比微沸水解得到的鈦白初品的比表面積大，且更加疏松多孔，比較適合用作催化劑的載體材料。

2.4 沸騰狀態(tài)對顏料性能的影響

采用鋁鹽、鉀鹽和磷鹽作為鹽處理劑，對偏鈦酸進(jìn)行鹽處理后，經(jīng)過980℃煅燒，檢測鈦白初品的顏料性能，結(jié)果見表3。

從表3可見，微沸和爆沸水解得到的鈦白初品的消色力和亮度相當(dāng)，但是爆沸水解得到的鈦白初品的SCX（藍(lán)相）較好，這也反應(yīng)出爆沸水解得到的樣品粒度更細(xì)。

3 結(jié)論

硫酸法鈦白水解時(shí)的沸騰狀態(tài)對水解偏鈦酸的粒度分布和比表面積均有影響，爆沸水解比微沸水解得到的偏鈦酸的平均粒徑小、沉降速度快、比表面積和孔徑大、鈦白初品藍(lán)相好。

［1］ 唐振寧.鈦白粉的生產(chǎn)與環(huán)境治理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［2］ 吳健春，王斌.鈦液水解工藝對偏鈦酸性能的影響［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2013，45（8）：33-35.

［3］ 郝琳，吉維群，陳新貴.鈦白粉生產(chǎn)中操作條件對水解過程的影響［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2006，38（2）：25-28.

［4］ 孟慶磊，劉百軍.高比表面積二氧化鈦制備研究新進(jìn)展［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2009，41（8）：1-5.

［5］ 王興業(yè).硅溶膠中二氧化硅粒徑及比表面積測定［J］.材料工程，1997（5）：34-36.

［6］ 趙燕禹，李勇，商連弟，等.常壓水解法制備納米二氧化鈦及表征［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2010，42（6）：42-43，46.

［7］ 陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理（上冊）［M］.2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

聯(lián)系方式：wujianchun@126.com

Influence of boiling state on hydrolysis of titanyl sulfate

Wu Jianchun，Ren Yaping，Lu Ruifang
（1.State Key Laboratory of V anadium and Titanium Resources Comprehensive Utilization，Pangang Group Research Institute Co.，Ltd.，Panzhihua 617000，China）

The metatitanic acid was prepared via hydrolysis method with titanyl sulfate as raw material by adding crystal seeds.The sedimentation velocity laws of metatitanic acid were studied in two states of slight boiling and violent boiling.The particle size distributions of hydrolyzed metatitanic acid in two different boiling states were analyzed by laser particle size instrument of Malvin Mastersizer 2000.The specific surface area and pore size of the two kinds of titanium white product obtained by the two hydrolysis methods were tested by specific surface analyzer.Results showed that the metatitanic acid of violent boiling state had smaller particle size，larger sedimentation velocity，larger specific surface area，larger pore size，and better SCX；and hydrolysis of boiling state had little influence on other pigment performances of titanium white product.

hydrolysis；metatitanic acid；particle size distribution；sedimentation velocity；specific surface area

TQ031.5

A

1006-4990（2015）03-0039-03

2014-09-27

吳健春（1978— ），男，研究員，長期從事鈦白工藝和納米材料制備和應(yīng)用研究，在各種核心期刊發(fā)表相關(guān)論文10余篇。