・32・ 山东化工 SHAND0NG CHEMICAL INDUsTRY 2018年第47卷 钛白副产物硫酸亚铁的精制研究 赵蕾,王 富 430223) (武汉华夏理工学院生物与制药工程学院,湖北武汉摘要:我国的钛白生产绝大多数采用的硫酸法会产生大量的副产物,生产每吨钛白将产生3.5~4t的七水硫酸亚铁(俗称绿矾)。该硫酸 亚铁除少量用于净水剂及肥料外,大部分被排放到江河湖海,为了有效利用资源和减少环境污染,对硫酸亚铁进行精制研究,得到最佳 精制方法及实验条件:水解的初始pH值控制在3.0,水解的温度控制在80 ̄C,水解溶液浓度对钛白副产物硫酸亚铁提纯的影响不明显, 絮凝的最佳水温控制在50—60oC,絮凝剂的投加量为1.3mg/L,以70 r/min慢速搅拌15min,结晶温度为20 ̄C,搅拌的速率为50r/rain。 关键词:钛白副产物;绿矾;精制 中图分类号:TQ138.1 文献标识码:A 文章编号:1008—021x(2018)01—0032—02 Study on Purification of Titanium Dioxide by—-product Ferrous Sulfate ∞Lei.Wang Fu (College of Biological and Pharmaceutical Engineering,Wuhan Huaxia University of Technology,Wuhan 430223,China) Abstract:Most of the titanium dioxide production in our country will produce a large amount of by—products by sulfuric acid method.the production of titanium dioxide per ton wil produce 3.5~4t heptahydrate ferrous sulfate(commonly known as melanterite).In addition to a small amount of ion sulrfate used for water puriifcation nd afertilizer,most ale discharged into rivers, lakes and seas.In 0rder to make effective use of resources and reduce environmental pollution. nle refining of ferrous sulfate is studied. e optimum experimentl condiations were obtained: e initial pH of hydrolysis was controlled at 3, e hydrolysis temperature was controlled at 80oC.The concentration of hydrolysis solution has no obvious influence on tlle purification of ferrous sulfatefromthe by—product oftitanium dioxide.,I’}le optimumwatertemperature offloceulationWas eontroled at 50—60℃。ne lfocculant dosage Was 1.3 mg/L,Stir slowly at 70 r/min for 15 minutes, e crystlliazation temperature Was 20℃,.I1le rate of stirring was 50 r/min. Key words:titanium dioxide by—product;ferrous sulfate;puriifcation 二氧化钛是目前现阶段非常重要的一种无机颜料…。我 响,找出了最佳反应条件,从而提高硫酸亚铁资源的利用价值。 国企业大部分用硫酸法生产二氧化钛,每生产lt二氧化钛就会 产生3.5—4t的七水硫酸亚铁(俗称绿矾),这些副产的硫酸亚 铁除了有很少一部分会用于生产净水剂和化肥,绝大部分都是 直接排放到河流湖泊中,还有一些厂家直接将硫酸亚铁堆积在 厂区里。这样的处理方法会对环境造成严重的污染并占据紧 张的土地资源,而且人体一旦摄入了含有重金属的水资源就会 对人体造成巨大的伤害。近来,人们对于环境问题和可持续发 展的理念越来越重视,所以对于钛白副产物硫酸亚铁的精制研 究引起了人们强烈的关注 。 1 钛白副产物硫酸亚铁提纯的过程以及原理 1.1钛白副产物的提纯过程 高钛白副产物硫酸亚铁一加铁屑一加硫酸调pH值一恒 温加热水解一絮凝一离心分离一降温结晶一干燥一精制硫酸 亚铁 l_2钛白副产物的提纯实验过程 称取10 g钛白副产物溶于60 mL蒸馏水中,向溶液中加入 硫酸亚铁除了用来生产颜料 外,还可用于制铁盐、氧化 铁颜料、媒染剂、净水剂、防腐剂、消毒剂等 ~’。目前,钛白副 产物硫酸亚铁提纯的方法主要有:离子交换法、还原及重结晶 法、硫化物除杂质法、絮凝剂分离法、空气氧化法除杂质,其中 运用最多的是絮凝剂分离法和还原及重结晶法-o 。其中,重结 3g铁屑用硫酸调节溶液的pH值,然后用恒温水浴锅进行加热 记录加热时间。停止加热,趁热加入絮凝剂并且进行充分搅 拌,过滤收集滤液。用KSCN检测Fe¨是否完全被还原 成Fe“。 1.3硫酸亚铁溶液浓度的检测方法 1.3.1 高锰酸钾标准溶液的配置与标定 晶只要是利用硫酸亚铁在水溶液当中溶解度随温度变化较大 的原理,若硫酸亚铁的含量在9o%~95%,就可以将溶液加热 至80℃左右,然后将水溶液调节成饱和溶液,用H:SO 调溶液 pH值=2.0—2.5,并在反应池内投入一定量的废弃铁片,使 Fe“还原成Fe“;如果钛白副产物硫酸亚铁的含量低于90%, (1)KMnO4溶液的配置:称取KMnO 固体1.6 g溶于500 mL蒸馏水中,盖上表面皿加热至微沸并保持1 h,暗处放置2~ 3 d,用微孔玻璃漏斗过滤后置于棕色试剂瓶中备用。 (2)KMnO 标准溶液(0.02 mol/L)的标定:取基准草酸钠 约0.2 g,精密称定,置于250 mL锥形瓶中,加新沸过的冷水50 就要用还原重结晶法 。而絮凝剂分离法是指将钛白副产物 溶解在水溶液中,然后加絮凝剂,同时使Ti,si等小颗粒杂质形 成絮状物,快速沉降分离 J。 本文将钛白副产物绿矾通过铁粉还原金属杂质,再通过絮 凝剂分离提纯,考察了不同的实验条件对硫酸亚铁纯度的影 收稿日期:2017—11—25 基金项目:武汉华夏理工学院校科研基金项目(17003) mL与3 mol/L H2SO 溶液15mL,使溶解,向滴定管中迅速加入 本液约30 mL,待褪色后,水浴上加热至65 ̄C,继续滴定至溶液 显微红色并保持30s不褪,即为终点(此时温度不能低于 55 ̄C)。平行滴定三次,记录数据按照下式计算KMnO4标准溶 液的浓度。 作者简介:赵蕾(1989一),女,主要研究方向:分离过程与技术。 第1期 m 2o4×1000×2 ,、 赵蕾,等:钛白副产物硫酸亚铁的精制研究 为80℃。 ・33・ KblnO4—5MNI2c204×VKMno4 式中:M一草酸钠的相对分子质量,134.O0 g,/tool。 1.3.2提纯后硫酸亚铁溶液浓度的测定 向250mL锥形瓶中加入提纯后的硫酸亚铁溶液1.5 mL,用 水稀释至20 mL左右,加入10 mL硫磷混合酸以高锰酸钾标准 溶液滴定至溶液呈现粉红色在30s内不消失即为终点。 硫一磷混合酸:在冷却下向14OraL水中加入30mL硫酸,再 加入30mL磷酸。 硫酸(GB625):1+1溶液; 磷酸(GB1282):1+1溶液。 结果计算:溶液中硫酸亚铁含量x(g/mL)按下式计算 X- 式中:x一硫酸亚铁含量,g/mL; c一高锰酸钾标准溶液的浓度,mol/L; v一滴定硫酸亚铁溶液消耗的高锰酸钾标准溶液的体 积,mL; V一吸取的硫酸亚铁溶液体积,1.5mL; M一硫酸亚铁的相对分子质量,152。 2结果与讨论 2.1 实验室分析纯硫酸亚铁作标样 称取lOg硫酸亚铁(FeSO ・7H:O)溶于60 mL蒸馏水中, 完全溶解后吸取溶液1.5 mL加入到250 mL锥形瓶中,用水稀 释至20 mL左右,加入10 mL硫磷混合酸以高锰酸钾标准溶液 滴定至溶液呈现粉红色在30s内不消失即为终点。 x: 1粤 /mL .) :o.o91e2.2初始pH值对钛白副产物硫酸亚铁提纯的影响 实验在其他条件都相同的情况下,通过改变溶液的初始 pH值比较出不同初始pH值对产品纯度的影响,其结果如图1。 pH值 图1初始pH值对产品纯度的影响 由图1可知,当溶液的初始pH值为1.0时水解反应基本 上不进行;当溶液的初始pH值低于3.0时,溶液中的酸性较 强,抑制了钛离子进行水解反应;溶液的初始pH值大于3.0时 溶液中的Fe 容易被氧化成Fe¨,所以容易产生氢氧化铁沉 淀,从而使得产品纯度有所降低。故最佳溶液的初始pH值为 3.0,此时产品的纯度达到最大值为96.8%。 2.3水解温度对钛白副产物硫酸亚铁提纯的影响 不同水解温度对产品纯度的影响如图2所示。 由图2可知,温度对于硫酸亚铁提纯的影响非常明显,升 高溶液的温度有利于水解反应的进行,当溶液的温度达到80℃ 时继续升高温度使得溶液中水解产生的水合二氧化钛沉淀部 分分解,所以影响到最后的硫酸亚铁的纯度。故最佳水解温度 提纯温度,℃ 图2水解温度对产品纯度的影响 2.4水解溶液浓度及反应时间对钛白副产物硫酸亚 铁提纯的影响 不同水解溶液浓度及反应时间对产品纯度的影响如图3 所示。 反应时同m 图3水解溶液浓度对产品纯度的影响 从图3中可以看出,溶液浓度对于硫酸亚铁的纯度影响不 明显,最佳的溶液提纯浓度为0.091 kg/L。当反应时间进行到 6 h时,三组溶液浓度条件下硫酸亚铁的纯度都达到了最大值, 再延长反应时间就造成部分水合二氧化钛沉淀分解使产品纯 度均有所降低。 2.5 絮凝对钛白副产物硫酸亚铁提纯的影响 加絮凝剂进行除杂时,通过改变溶液的温度、改变絮凝剂 的量、电磁搅拌器的转速、絮凝时长来进行。经过多次的实验 发现进行絮凝除杂实验的最佳溶液温度为5O一6o℃,当溶液的 温度低于5O℃有硫酸亚铁晶体析出,对后续的杂质分离过程不 利,当溶液温度高于6o℃时,可能由于絮凝剂性能的改变使得 絮凝的效果不太理想;最后得到,最佳的絮凝条件为絮凝剂的 投加量在1.3 mg/L,以70 r/rain慢速搅拌15rain时为最佳,实 验后得到的硫酸亚铁纯度能够达到98%。 2.6 结晶过程对钛白副产物硫酸亚铁提纯的影响 将离心过滤后的溶液进行结晶,结晶时将温度控制在 2O℃,实验时主要是以控制搅拌器的转速为主。最后得到的硫 酸亚铁经过搅拌的粒径较小,未搅拌的粒径比较粗大,纯度也 有所降低,可能是由于颗粒的粒径较大夹带水分使得滴定的结 果偏低,实验结果显示搅拌器的搅拌速率设定为50r/rain时的 结晶效果最好。 3结束语 3.1 钛白副产物硫酸亚铁的精制方法 (下转第42页) ・42・ 山东化工 SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY 2018年第47卷 石墨烯提高了PA6的玻璃化转变温度;在多层石墨烯质量分数 为2.5%时,PA6拉伸强度增加了11.4%,弹性模量增加了 [3]Verdejo R,Bemal M M,Romasanta L J,et a1.Graphene filled polymer nanocomposites[J].J Mater Chem,201 I,21 (10):3301. 29.3%。因此,多层石墨烯的应用价值是值得关注的,聚合物/ 多层石墨烯熔融共混是最有可能工业化的方法。 [4]Layek R K,Samanta S,Nandi A K.Grapheire sulphonic acid/ chitosan nano biocomposites with tunable mechanical and 2结束语 多年来全社会对石墨烯产业的高密度投入,虽然也看到了 conductivity properties[J].Polymer,2012,53(1 1):2265 —些可喜的进展,如石墨烯的规模化生产及其下游产业的应用 等,但是石墨烯的大规模实质性应用却少有实现。《全球石墨 烯市场2015版》行业研究报告预测,就短期而言,全球石墨烯 行业面临产能过剩的巨大困扰,中国作为全球拥有最多石墨烯 产能的国家,相应的产能过剩的问题也更为严重。随着聚合物/ 一2273. [5]Park 0 K,Hwang J Y,Goh M,et a1.Mechanically strong and multifunctional polyimide nanocomposites using amimophenyl functionalized graphene nanosheets[J].Macromolecules, 20l3,46(9):3505—3511. 石墨烯复合材料的研发深入,石墨烯在聚合物复合材料中的应 用越来越多,其中多层石墨烯将有较大价值,这些工作将有助 于石墨烯的去产能化,并提高材料行业的技术水平和产品 档次。 [6]Kim H,Kobayashi S,Abdur Rahim M A,et a1.Graphene/ polyethylene nanocomposites: Effect of polyethylene 参考文献 [1]Fan J,Shi Z,Lian M,et 1.Mechaanically strong graphene oxide/ sodium alginate/polyaerylamide nanocomposite hydrogel with functionalization and blending methods[J].Polymer,201 1,52 (8):1837—1846. [7]宋波.PW多层石墨烯纳米复合材料性能研究[J].现代化 工,2015(10):78. improved dye adsorption capacity[J].Journal of Materilsa Chemistry A,2013,1(25):7433. [8]宋波.ABS/多层石墨烯纳米复合材料性能研究[J].化工 新型材料,2016(1):211. [9]宋波.多层石墨烯对PA6改性的性能研究[J].现代塑料 加工应用,2017(4):42. (本文文献格式:宋 波.聚合物/石墨烯复合材料的研究进展 [J].山东化工,2018,47(1):41-42.) [2]Yan Y,Zhang M,Gong K,et a1.Adsorption of methylene blue dye onto carbon nanotubes:A route to an electrochemically functional nanostructure and its layer—by—layer assembled nanocomposite[J].Chem Mater,2005,17(13):3457—3463. (上接第33页) 钛白副产物硫酸亚铁中含有的大量杂质元素的除杂方法 是:将定量的副产物溶液溶解在蒸馏水中,然后通过用硫酸调 节其pH值,并加入过量的铁屑到溶液中,加热至沸腾可以使得 钛水解生产偏钛酸并以沉淀的形式析出,加入絮凝剂,使水合 二氧化钛和其他的杂质形成沉淀通过过滤分离,而且加入的铁 屑可以除去溶液中的Fe¨、cu“、Pb。 等离子。提纯的流程为: 先加硫酸和铁屑进行水解一絮凝一过滤一结晶一干燥。 [2]程文敢.硫酸法钛白副产硫酸亚铁制取氧化铁红的研究 [J].福建化工,2000(2):25—27. [3]李功军.钛白副产硫酸亚铁制备氧化铁系列颜料的研究 [D].湘潭:湘潭大学,2004. [4]景海艇,郑晓冬.硫化亚铁作为锂离子电池负极材料的电化 学性能研究[J].化学工程与装备,2015(5):7—9. [5]曹人玻.以钛白副产物绿矾为原料低温制备纳米三氧化二 铁的研究[D].广州:华南理工大学,2011. [6]郑晓虹,林智虹.用还原焙烧法从硫铁矿烧渣中提取铁的研 究[J].河南科学,2003,21(6):713—716. [7]谢全模,胡文方,张莉,等.废渣绿矾精制高纯度硫酸亚铁 3.2钛白副产物硫酸亚铁的最佳精制条件 最佳的实验条件:溶液的初始pH值控制在3.0,溶液的温 度控制在8O℃,水解溶液浓度对钛白副产物绿矾提纯的影响不 明显,絮凝的最佳水温控制在50~60 ̄C,絮凝剂的投加量控制 在1.3 mg/L以70 r/rain慢速搅拌15min,结晶时温度控制在 2O℃搅拌的速率控制在50 r/rain。 的研究[J].河南化工,2007,24(11):33—35. [8]郑明凯,杨为学.利用钛白副产绿矾和废酸制备氧化铁黄的 研究[J].中国资源综用,2011,29(8):22—25. (本文文献格式:赵蕾,王富.钛白副产物硫酸亚铁的精制 研究[J].山东化工,2018,47(I):32—33,42.) o £ k # 一 k一 — 、 pc、 f~ 0、 、 参考文献 [1]唐振宁.钛白粉的生产与环境治理[M].北京:化学工业出 版社,2000. (上接第40页) }3 I Tamai N,Yamazaki T。Yamazaki I.Two—dimensional excitation energy transfer between chromophoric earbazole and anthracene [7]万有志,范慧,张小强.单偶氮及双偶氮苯咔唑类化合物 的合成与表征[J].精细化工,2005,22(8):569—571. 18 I Schmidt A W,Reddy K R,KnOlker H J.Occurrence, biogenesis,and synthesis of biologically active carbazole in langmuir—blodgett monolayer films[J].J Phys Chem, 1987。91(4):841—845. [4]Crosby G A,Demas J N Measurement of photoluminescence quantum yields.a review[J].J Phys Chem,1971,75(8):991 —akalloids[J].Chem Rev,2012,112(6):3193—3328. [9]李璐.多环芳烃类化合物的合成研究进展[J].广州化工, 2017,45(5):1—3,6. [10]Tokito S,Iijima T,Suzuri Y,et a1.Confinement of tirplet energy on phosphorescent molecules for hishly—eficifent 1024. 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