绿色综合利用钛渣的理论与工艺研究

摘要

二氧化钛是一种重要的无机化工材料，广泛应用于涂料、造纸、塑料、橡胶、油墨、化纤等行业。工业上生产钛白使用的原料主要有海沙、钛铁矿、钛磁铁矿和高钛渣等。
　　钛渣是由钛铁矿冶炼而成，二氧化钛含量被提高。二氧化钛含量大于90％的钛渣可以作为氯化法钛白的生产原料，二氧化钛含量小于90％的钛渣是硫酸法生产钛白的优质原料。
　　随着社会大众对环境保护的意识愈来愈强，发展循环经济，建设环境友好型社会是我们要重点考虑的方向。本文以四川某地产的钛渣为原料，建立了浓硫酸或者硫酸氢铵焙烧钛渣制备二氧化钛的工艺流程，取得以下结果:
　　1)考察了浓硫酸焙烧钛渣提取二氧化钛过程中酸矿质量比、焙烧温度、焙烧时间，钛渣粒度对二氧化钛提取率的影响。在单因素实验的基础上进行了正交实验，得到浓硫酸焙烧钛渣提取二氧化钛的最佳实验条件为:酸矿质量比为2.1∶1，焙烧温度为310℃，焙烧时间为75min，钛渣粒度为45～53μm。按照最佳条件进行验证性实验，钛渣的提取率可达96％。通过收缩未反应核模型对浓硫酸焙烧钛渣提取二氧化钛的过程进行动力学分析，可知该过程受固膜扩散控制，反应的表观活化能为18.94kJ·mol-1，动力学方程为:1+2(1-x)-3(1-x)2/3=0.49exp[-18940/RT]·t。
　　2)考察了浓硫酸焙烧钛渣提取二氧化钛溶出过程中液固比、溶出温度、搅拌速率，溶出时间等因素对二氧化钛溶出率的影响。在单因素实验的基础上得到最佳溶出实验条件为:液固比5∶1，溶出温度60℃，搅拌速率400r·min-1，溶出时间40min。在最佳实验条件下溶出率可达到96％。通过收缩未反应核模型对溶出过程进行动力学分析，可知，反应过程受通过固体产物层的内扩散控制。溶出反应的表观活化能E=39.58kJ·mol-1，溶出反应的动力学方程为:1+2(1-x)-3(1-x)2/3=2.86×103exp[-39584/RT]·t。
　　3)考察了硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛过程中硫酸氢铵与钛渣质量比、焙烧温度、焙烧时间，钛渣粒度对二氧化钛提取率的影响。在单因素实验的基础上进行了正交实验，得到硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛的最佳实验条件为:硫酸氢铵与钛渣质量比为4∶1，焙烧温度为480℃，焙烧时间为60min，原料粒度为45～53μm。按照最佳条件进行稳定性试验，二氧化钛的提取率可达到85％。研究了硫酸氢铵焙烧钛渣的反应动力学过程，结果表明:硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛的动力学过程符合收缩未反应核模型，反应速率受化学反应控制，并由阿罗尼乌斯方程得到焙烧反应的表观活化能为87.95kJ·mol-1。动力学方程可描述如下:1-(1-x)1/3=8.14×103exp[-87945/R T]·t。
　　4)考察了硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛溶出过程中液固比、溶出温度、搅拌速率，溶出时间等因素对二氧化钛溶出率的影响。在单因素实验的基础上得到溶出最佳实验条件为:液固比5∶1，溶出温度70℃，搅拌速率500r·min-1，溶出时间50min。按照最佳条件进行稳定性试验，二氧化钛的溶出率可达到95％。通过收缩未反应核模型对硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛的溶出过程进行动力学分析，实验结果表明反应速率受通过固体产物层的内扩散控制。并由阿罗尼乌斯方程得到溶出反应的表观活化能为39.80kJ·mol-1，动力学方程为:1+2(1-x)-3(1-x)2/3=13.30×103exp[-39797/RT]·t。
　　5)考察了硫酸氧钛溶液水解过程中底水量、水解温度、硫酸氧钛溶液滴定速率，水解时间对二氧化钛水解率的影响。通过单因素实验得到硫酸氧钛溶液水解的最佳实验条件为:底水量为67ml(6∶1)，水解温度为100℃，硫酸氧钛溶液滴定速率为40ml·min-1，水解时间为90min。稳定性实验表明硫酸氧钛溶液的水解率可达到95％。
　　6)从沉钛液中提铝制备氧化铝。考察了温度，pH和时间对铝沉淀率的影响，通过单因素实验得到沉铝的最佳实验条件:反应温度60℃，沉淀pH值为6，反应时间20min，在此条件下铝的沉淀率可达99％以上;确定了碱溶最佳实验条件:碱溶温度70℃，氢氧化铝与碱质量比1∶4，碱溶时间30min，在此条件下，铝的碱溶解率可达到100％;确定了碳分最佳实验条件:常温、常压、在通气速度30～40ml·min-1条件下碳分，至溶液pH值为8时止，溶液中铝的碳分率为98％。
　　7)利用氢氧化钠提取滤渣中的二氧化硅，考察了碱溶过程中NaOH与滤渣的质量比、反应温度、反应时间，液固比对滤渣中二氧化硅的提取率的影响，通过单因素实验得到碱溶工序的最佳实验条件为:反应温度190℃，NaOH与滤渣的质量比为3∶1，液固比4.5∶1，反应时间60min，滤渣中二氧化硅的提取率可达74.09％;将得到的硅酸钠溶液进行钙化，通过单因素实验得到反应的最佳实验条件为:nCaO∶ nNa2SiO3=1∶1，反应温度100℃，反应时间45min，硅酸钠的钙化率可达94％。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 二氧化钛的国内外研究现状

1．2 二氧化钛的性质

1．2．1 二氧化钛的结晶特征

1．2．2 二氧化钛的化学性质

1．2．3 二氧化钛的光学性质

1．3 二氧化钛的用途

1．4 钛矿资源

1．4．1 钛铁矿

1．4．2 金红石

1．4．3 富钛料

1．5 二氧化钛的制备方法

1．5．1 硫酸法生产钛白

1．5．2 氯化法生产钛白

1．5．3 碱法制备二氧化钛

1．5．4 传统工艺存在的问题

1．6 本课题研究的内容及意义

1．6．1 本课题的研究意义

1．6．2 研究内容

参考文献

第2章 焙烧法从钛渣中提取二氧化钛

2．1 引言

2．2 实验原料分析

2．2．1 化学成分

2．2．2 物相组成

2．2．3 微观形貌

2．3 工艺流程设计

2．4 焙烧钛渣提取二氧化钛工艺流程

2．5 浓硫酸焙烧钛渣提取二氧化钛

2．5．1 浓硫酸焙烧钛渣提取二氧化钛焙烧实验

2．5．2 浓硫酸焙烧钛渣提取二氧化钛溶出实验

2．6 硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛

2．6．1 硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛焙烧实验

2．6．2 硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛溶出实验

2．7 硫酸氧钛溶液水解制备二氧化钛产品

2．7．1 实验原料及仪器

2．7．2 实验原理

2．7．3 实验过程

2．7．4 实验结果和讨论

2．7．5 煅烧

2．8 小结

参考文献

第3章 焙烧钛渣提取二氧化钛动力学研究

3．1 引言

3．2 浓硫酸焙烧钛渣提取二氧化钛的动力学研究

3．2．1 浓硫酸焙烧钛渣提取二氧化钛的焙烧动力学研究

3．2．2 浓硫酸焙烧钛渣提取二氧化钛的溶出动力学研究

3．3 硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛的动力学研究

3．3．1 硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛的焙烧动力学研究

3．3．2 硫酸氢铵焙烧钛渣提取二氧化钛的溶出动力学研究

3．4 小结

参考文献

第4章 沉钛液中提铝制备氧化铝

4．1 引言

4．2 实验原料及仪器

4．3 工艺流程

4．4 实验结果与讨论

4．4．1 沉铝

4．4．2 碱溶

4．4．3 氢氧化铁产品

4．4．4 碳分

4．4．5 煅烧

4．5 小结

参考文献

第5章 滤渣的处理

5．1 引言

5．2 实验原料及仪器

5．3 实验过程

5．4 工艺流程

5．5 实验原理

5．6 实验结果与讨论

5．6．1 滤渣的碱溶过程

5．6．2 硅酸钠溶液制备硅酸钙

5．7 硅酸钙产品检测

5．8 小结

参考文献

第6章 结论

致谢

攻读博士期间发表的论文

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