高纯氧化钛制备工艺中吸附除磷研究

2021-11-02祝袁园

中国金属通报 2021年12期

祝袁园

（西安建筑科技大学，陕西西安 710000）

1 简介

二氧化钛作为用途最为广泛的白色颜料，在人们的日常生活中有着重要的作用。随着人们对二氧化钛的研究越来越深入，科研工作者们发现高纯二氧化钛不仅具有十分稳定的化学性质，还具有优良的力学、电学及光学性能，因此成为了在诸多应用领域大放异彩的优质材料。但是，要提高二氧化钛在这些领域的应用性能，并形成的大规模工业化生产能力，就需要对二氧化钛纯度提出了更高的要求。例如，在制备高功能陶瓷如电子陶瓷、结构陶瓷等时，为了提高粉体材料的活性、细密性、降低烧成温度、增加材料的强度、韧性和电性能，就必须降低粉末原料的杂质含量。在高纯二氧化钛制备过程中一个常见问题为磷含量过高，本研究通过探究二氧化钛矿物浸出液的净化方法，将净化后的二氧化钛矿物浸出液作为制备高纯二氧化钛的原料，从而达到降低粉末原料杂质含量的目的[2]。本研究主要采用吸附法除磷，选用的吸附剂分别为：二氧化钛，合成选择性磷吸附树脂，改性活性炭，氧化活性炭。通过对上述不同类型的吸附剂的性能进行比较，发现改性活性炭对磷的选择性最好，同时通过控制变量法，发现其最佳吸附条件如下：吸附剂投加量20g,吸附时间8h，吸附温度60℃。在最佳吸附条件下磷的含量下降了60%，对高纯二氧化钛的纯度具有明显改善作用。

2 实验部分

典型吸附方法：量取适量二氧化钛矿物浸出液加入洁净的容量瓶中，加入去离子水定容，把配制好的浆液倒入三口烧瓶中，并把三口烧瓶固定在铁架台上，安置好搅拌棒和温度计，调节铁架台的高度，使其下部浸入到水浴加热锅中；开启电源，移取适量的吸附剂加入二氧化钛矿物浸出液中，设定好水浴锅的温度，当水浴锅的温度达到设定值后，启动搅拌器使其在三口烧瓶中匀速搅拌，将此时设定为反应起始时间；当达到预定的反应时间后，停止搅拌，并将三口烧瓶移出水浴锅。将三口烧瓶中的溶液进行过滤，完全去除溶液中颗粒物后，将剩余溶液转移至烧杯中保存、备用。

3 实验结果与讨论

3.1 不同吸附剂除磷效果对比

为考察不同吸附剂对磷元素的去除效果，本文分别选取了选择性磷吸附树脂、活性炭、改性活性炭和二氧化钛四种材料作为吸附剂，开展了对同批次二氧化钛矿物浸出液进行吸附实验，得到了它们对二氧化钛矿物浸出液中磷的吸附情况结果，且设置了空白对照实验。吸附剂投加量为饱和吸附量的120%，吸附时间为6h，吸附温度为40℃，吸附过程中采用中速搅拌。每组实验平行三次，实验结果取三次实验结果的平均值。实验结果如下图1所示，从左向右四组数据分别为选择性磷吸附树脂、活性炭、改型活性炭和二氧化钛对二氧化钛矿物水解浸出液中磷进行吸附后，水解浸出液中剩余磷的量，“未吸附”这一组数据为空白对照组；空白对照组中，水解浸出液中剩余磷的量最多，二氧化钛、选择性磷吸附树脂、活性炭和改性活性炭吸附后水解浸出液中剩余磷的量依次减少。通过这几组数据比较可知，几种吸附剂对磷均具有吸附作用，二氧化钛的吸附效果最差，而改性活性炭对磷的吸附效果较其他几种吸附剂效果最优。这是由于活性炭的表面具有疏松多孔的结果，而经过改性后得到的改性活性炭在其表面形成了一层表面活性剂，可以在溶液中具有更好的分散性，且对溶液中游离磷的捕捉能力更强。因此改性活性炭在这几种吸附剂中，具有最好的除磷效果。

图1 不同吸附剂对磷的吸附能力对比

3.2 改性活性炭吸附除磷的参数研究

3.2.1 吸附剂不同投加量的影响

首先我们考察了改性活性炭吸附剂投加量对产品中磷含量的影响情况，结果如图2所示，显示了不同的改性活性炭吸附剂投加量对二氧化钛矿物浸出液中磷含量的影响曲线。从影响曲线的分析可知，随着改性活性炭投加量的增加，二氧化钛矿物浸出液中磷的含量呈现出先增加后降低的趋势，其饱和吸附容量为60g。在达到改性活性炭的饱和吸附容量之前，随着活性炭投加量的增加，其对磷的吸附效果逐渐增强；而在达到改性活性炭的饱和吸附容量之后，继续增加改性活性炭投加量，对磷的吸附效果反而减弱了。这是由于改性活性炭对磷的吸附作用主要来自于其表面的多孔结构，和由此带来的高比表面积。当改性活性炭投加量未达到其饱和吸附容量时，其总比表面积随着投加量的增加而增加，因此呈现出对磷的吸附效果越来越好的现象；当改性活性炭投加量超过其饱和吸附容量时，改性活性炭在二氧化钛矿物浸出液中的分散性会逐渐变成，而表现出团聚的现象，一旦其发生团聚，总比表面积反而会逐渐降低，因此其对磷的吸附能力会随着投加量的继续增加而减弱。

图2 不同吸附剂投加量对改性活性炭吸附磷含量的影响

3.2.2 不同吸附时间的影响

图3为改性活性炭吸附时间对二氧化钛矿物浸出液中吸附的磷含量的影响曲线。从图中我们可以看出随着吸附时间的延长，二氧化钛矿物浸出液中吸附的磷含量同样呈现出先增加后减少的趋势，且在6h时对磷的吸附达到最大量。同时，可以看出活性炭吸附二氧化钛矿物浸出液中的磷是一个较为快速的过程。当改性活性炭吸附剂加入后，就在二氧化钛矿物浸出液内立即发生对磷的吸附行为，然而其吸附速率会随着时间的延长而减小，经过6h后，可以达到吸附与解吸平衡。这是由于改性活性炭的孔隙率是一定的，而在加入的改性活性炭的量一定的情况下，其孔隙的总量也是是有限的，随着吸附磷的量越来越多，其剩余孔隙量会越来越少，因此其吸附速率也会越来越低。当超过一定时间后，继续延长吸附时间，反而会使磷的解吸行为大于吸附行为，这主要是由于二氧化钛矿物浸出液中除了磷以外，还含有其他的杂质成分能够被改性活性炭所吸附，从而占用磷吸附的空间，当吸附时间过长时，这种吸附现象会越来越多，因此提高了磷的解吸率，使得磷的吸附量减小。

图3 不同吸附时间对改性活性炭吸附磷含量的影响

3.2.3 不同吸附温度的影响

图4为不同吸附温度对二氧化钛矿物浸出液中改性活性炭吸附磷含量的影响曲线，从图中可以看出随着二氧化钛矿物浸出液温度的升高，改性活性炭吸附的磷含量先升高后降低，当温度达到40℃左右时，改性活性炭对磷的吸附量最大，吸附效果最佳。这是由于随着温度的升高，改性活性炭对磷吸附速率和解吸速率均增大，但是低于40℃左右时，吸附速率大于解吸速率；当达到40℃左右时，吸附速率和解吸速率达到平衡；当大于40℃左右时，解吸速率大于吸附速率，改性活性炭对磷的吸附量逐渐减小；而当温度继续提高后，由于二氧化钛矿物浸出液中的其他可吸附杂质会逐渐析出，导致磷的吸附量增加，但是仍然小于40℃时的吸附量。