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以钛铁矿为原料制备钛的工艺流程

2024-05-24 来源:鑫海矿装 (261次浏览)

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在世界各地发现的各种致密矿产储量中,只有钛铁矿和金红石矿石能够通过工业过程生产钛化合物,特别是二氧化钛。含钛化合物具有广泛的应用前景,例如环境修复、能源技术、制药工业、涂料工业和纺织工业。钛铁矿和金红石的化学成分差异很大,其中钛铁矿含有大量的二氧化钛和氧化亚铁,表示为FeTiO 3或FeO.TiO 2 ,而金红石主要由TiO 2组成。由于钛铁矿储量更为丰富且价格更为便宜,作为一种比金红石更优越的原料,其在上述用途上具有更高的优势。

全球商业钛铁矿矿床大致可分为三类:大型硬岩矿床、与冲积锡有关的矿床以及与海滩砂有关的矿床,这些矿床通常含有钛铁矿、磁铁矿和赤铁矿。

我国百分之九十以上的工厂使用硫酸法生产二氧化钛,该工艺可分为四个主要阶段,即酸溶、水解、煅烧和后处理。简而言之,该工艺的第一步是通过酸溶将原料钛铁矿转化为硫酸钛。然后将所得化合物水解得到水合二氧化钛 TiO 2 · H 2 O。最后,对水合形式进行煅烧以形成 TiO 2。

1.酸溶

为了确保此步骤的效率达到 94%,需要使用比原料中的TiO 2含量多 60% 的 96% 浓硫酸 (H 2 SO 4 )。将过量的酸加入纯化的钛铁矿中,然后在 150 °C 下进行消化。钛铁矿(即 FeTiO 3 )消化过程中发生的反应如下所示。

2H 2 SO 4 + FeTiO 3 → TiOSO 4+ 2H 2 O + FeSO 4     

由于在消化步骤中使用了高温,钛铁矿中的亚铁含量会氧化成三价铁。因此,通过将废铁(Fe)加入混合物中,可以将所有 Fe 3+离子转化为 Fe 2+ ,然后可以在约 15 °C 的相对低温下方便地分离为结晶硫酸亚铁七水合物(FeSO 4 ·7H 2 O)

Fe 3+ (水溶液) + Fe (s) → 2 Fe 2+ (水溶液)

2.水解

将消化产物加热至 109°C 时,钛盐 (TiOSO 4 ) 发生水解,形成胶状沉淀物和大量残留硫酸。为了消除任何残留酸,在净化过程中对胶状沉淀物进行多次清洗。在此过程中添加不同类型的种子可形成不同相的最终产品 (TiO 2 ),即锐钛矿或金红石晶相 。

TiOSO 4(水溶液)+ (n + 1) H 2 O(l)→H 2 SO 4(水溶液)+ TiO 2 ·nH 2 O(s)

3.煅烧

水解产物(TiO 2 ·nH 2 O,水合二氧化钛)在回转窑中进行煅烧,反应温度对最终结果起着至关重要的作用。在约 200-300 °C 的温度下,水解材料脱水,然后在约 480 °C 时形成结晶 TiO 2。此外,加热至 750-850 °C 会产生锐钛矿 TiO 2,而金红石相则在 900-930 °C 的温度下w产生。

TiO2 ·nH2O (s)→nH2O (l)+TiO2 (s) (4)

为了保持 TiO 2适当的结构和化学特性,从而有利于工业应用,重要的是避免不必要地升高温度。

4.后处理

对煅烧产品(锐钛矿或金红石 TiO 2)进行适当的表面改性,为进一步的应用做准备。

硫酸盐法制备二氧化钛工艺的优点

硫酸盐法的主要优点是可以根据煅烧温度分离出锐钛矿或金红石晶相的 TiO 2。硫酸盐法所需的资本投资比氯化物法低。同样,由于能源需求和起始材料更便宜,硫酸盐法的运营成本也低于氯化物法。在废物产生方面,剩余的稀硫酸可以重新浓缩并重新用于钛铁矿消化,从而提高硫酸盐法的生产率。此外,废硫酸可以与石灰石 (CaCO 3 ) 反应(如下所示),以生产石膏 (CaSO 4 ·2H 2 O) [ 33 ]。

H 2 SO 4 (水溶液) + CaCO 3 (溶液) → CaSO 4 ·2H 2 O (溶液) + CO 2 (气体)    

此外,副产品 FeSO 4 ·7H 2 O 可以以原形或经过改变的形式用于其他任何行业。例如,FeSO 4 ·7H 2 O 可以氧化成三价铁形式,然后可用于水净化。

硫酸盐法制备二氧化钛的缺点

主要缺点是硫酸盐工艺的废弃物会造成环境破坏。例如,高浓度 (98%) 硫酸用于崩解矿石材料。此外,水解步骤中使用水会产生大量浓度较低(约 20%)的稀硫酸。据报道,采用该工艺生产一吨二氧化钛会产生约 25,000 立方米的废气、200 吨酸性水和 7-11 吨废酸。因此,硫酸盐工艺的环境污染控制成本更高。此外,作为间歇工艺,硫酸盐工艺只能提取少量的 TiO 2,反应物在反应室中发生反应,反应完成后,产物被取出并进入下一步。

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