以硝酸處理西藏硼砂礦制備硼酸及硝酸鈉的研究

肖景波，胡彩華

（南陽東方應(yīng)用化工研究所，河南南陽473000）

以工業(yè)硼砂與無機(jī)酸反應(yīng)生產(chǎn)硼酸的方法屬于二步法硼酸工藝。目前，中國采用的工藝主要有硫酸硼砂法和硝酸硼砂法，在制得硼酸的同時，副產(chǎn)品為鈉鹽（硫酸鈉或硝酸鈉）。若要實現(xiàn)硼酸與鈉鹽的分離，需對硼酸母液進(jìn)行蒸發(fā)［1］。由于蒸發(fā)過程能耗較高，副產(chǎn)物附加值低，加之工業(yè)硼砂價格高，因此在一定程度上影響了生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為了降低能耗，有效控制生產(chǎn)成本，筆者以西藏硼砂礦替代工業(yè)硼砂，開展了以硝酸處理西藏硼砂礦一步法制備硼酸及硝酸鈉的研究。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

西藏天然硼砂礦主要成分為十水硼砂，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 55%～77%（以 Na2B4O7·10H2O 計），同時還含有Ca、Mg、Si等雜質(zhì)。 將其與無機(jī)酸，如硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸等反應(yīng)均可制得硼酸。在以硝酸處理硼砂礦生產(chǎn)硼酸時，原礦中的 Ca、Mg 將轉(zhuǎn)化為 Ca（NO3）2、Mg（NO3）2并進(jìn)入液相。在母液循環(huán)利用的條件下，當(dāng)母液中的 Ca（NO3）2、Mg（NO3）2濃度積累到一定值時將會嚴(yán)重影響硼酸純度。

為避免 Mg（NO3）2、Ca（NO3）2在硼酸母液中的積累，應(yīng)嚴(yán)格控制反應(yīng)過程中原礦內(nèi)Ca、Mg成分的溶出。實驗首先以硼酸母液為浸出溶劑，與硼砂原礦混合并將其中的硼砂溶出，經(jīng)過濾得到硼砂溶液和硼泥。實驗證明，以硼酸母液浸溶硼砂礦，體系的pH控制在6.5～7.5，在此條件下原礦中的Ca、Mg幾乎不溶出。 硼砂溶液中的 Mg（NO3）2、Ca（NO3）2質(zhì)量濃度（以MgO、CaO計）分別控制在0.25 g/L和0.15g/L左右，且處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。再以硝酸對硼砂溶液酸化，使溶液中的硼砂與硝酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硼酸和硝酸鈉。

硼酸的相對密度為1.435 g/cm3，硝酸鈉的相對密度為2.26 g/cm3。二者相比，硼酸晶體顆粒小，相對密度低，形狀系數(shù)小，當(dāng)量直徑小，相對難沉淀，而硝酸鈉顆粒較粗，相對密度大，易沉淀。據(jù)此，實驗中使溶液中的硼酸與硝酸鈉共同進(jìn)入過飽和狀態(tài)，經(jīng)冷卻結(jié)晶，形成硼酸與硝酸鈉的混合晶漿。再利用二者物性特征的不同，對其實施重力沉降分離。分別將分離出的硼酸和硝酸鈉洗滌、脫水、干燥，制得硼酸和硝酸鈉產(chǎn)品。實驗過程所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

1.2 實驗原料

原料：硝酸（分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%），西藏天然硼砂礦（西藏礦業(yè)扎布耶公司），其化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：B2O3，28.37%、MgO，2.97%、CaO，1.75%、Na2O，11.58%、Fe2O3，0.45%、酸不溶物，1.03%、失水量，15.65%。

1.3 實驗儀器

JJ-1型精密增力電動攪拌器、1 kW電子萬用爐、FA1104N型電子天平、托盤天平、硝酸鈉和硼酸重力分離器（自制）、ZXZ-0.25型旋片式真空泵、101-1型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱、燒杯、抽濾瓶、布氏漏斗等。

1.4 分析方法

硼酸和硝酸鈉的分析分別采用GB/T 538—2006《工業(yè)硼酸》和GB/T 4553—2002《工業(yè)硝酸鈉》規(guī)定的方法。

1.5 實驗方法

稱取硼砂礦于燒杯中，加入硼酸母液（首次為自來水，硼酸母液中硼酸、硝酸鈉濃度達(dá)到共飽和狀態(tài)后用母液）。在攪拌條件下加熱至一定溫度，保溫、浸溶一定時間后，經(jīng)抽濾制得硼砂溶液。用硝酸中和溶液中的硼砂，再經(jīng)冷卻、結(jié)晶制得硼酸與硝酸鈉的混合晶漿。將混合晶漿送入重力分離器，經(jīng)分離、漂洗、脫水、干燥制得硼酸和硝酸鈉。分離過程收得的硼酸母液循環(huán)用于浸溶配料。實驗考察了各因素對硼砂溶液成分、產(chǎn)物粒徑、產(chǎn)物純度的影響，同時對工藝過程的水平衡問題做了考察。

2 結(jié)果與討論

2.1 原礦處理方式對硼砂溶液中Ca、Mg濃度的影響

為有效控制反應(yīng)體系中 Mg（NO3）2、Ca（NO3）2的濃度，確保硼酸和硝酸鈉制備過程母液循環(huán)使用的連續(xù)性與穩(wěn)定性，實驗就不同原礦處理方式對硼砂溶液中Ca、Mg濃度的影響進(jìn)行了考察。處理方式：1）用硝酸直接與硼砂礦料漿反應(yīng)，經(jīng)過濾制得硼酸與硝酸鈉的混合溶液；2）首先以硼酸母液與硼砂礦混合，經(jīng)浸溶、過濾制得硼砂溶液，再用硝酸對硼砂溶液進(jìn)行酸化。

實驗證明，采用方式（1），硝酸與硼砂礦反應(yīng)終點的pH=2.5，硼酸與硝酸鈉的混合溶液中CaO和MgO的質(zhì)量濃度分別為4.9 g/L和8.3 g/L；而采用方式（2），實驗所使用硼酸母液的pH=4，硼砂礦浸溶終點的pH=7，所制得的硼砂溶液中CaO、MgO的質(zhì)量濃度分別為0.25 g/L和0.15 g/L。

由實驗結(jié)果可知，方式（1）由于硝酸和原礦直接反應(yīng)，原礦中的CaO、MgO也與HNO3反應(yīng)生成了Ca（NO3）2和 Mg（NO3）2，導(dǎo)致溶液中 Ca、Mg 雜質(zhì)濃度過高，會造成母液中Ca、Mg雜質(zhì)的迅速積累，給母液的循環(huán)使用及硼酸和硝酸鈉的制備造成阻礙。采用方式（2），浸溶過程不加入硝酸，而且浸溶終點料漿的pH=7，在此條件下原礦中的Ca、Mg幾乎未被溶出，因此所制得的硼砂溶液中Ca、Mg雜質(zhì)較少。循環(huán)實驗證明，在采用方式（2）的條件下，反應(yīng)體系內(nèi)Ca、Mg雜質(zhì)濃度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，這對控制硼酸母液中Ca、Mg雜質(zhì)的濃度十分有利，也為硼酸母液的循環(huán)使用奠定了基礎(chǔ)。圖1為方式（2）條件下，母液循環(huán)次數(shù)對母液中Ca、Mg雜質(zhì)濃度的影響。

圖1 母液循環(huán)次數(shù)對母液中Ca、Mg雜質(zhì)濃度的影響

從圖1可以看出，隨著母液循環(huán)次數(shù)的增加，溶液中MgO、CaO的濃度呈緩慢上升趨勢，但母液循環(huán)次數(shù)達(dá)到10次后，母液中MgO、CaO濃度相對穩(wěn)定。后續(xù)實驗證明，實驗過程母液總量呈逐漸減少趨勢，需要用硼砂礦浸溶殘渣洗滌液做適當(dāng)補(bǔ)充，溶液的補(bǔ)充從一定程度上減緩了母液中Ca、Mg雜質(zhì)的積累速度。實驗證明，采用方式（2）可實現(xiàn)對硼酸母液的循環(huán)使用，有利于硼酸和硝酸鈉制備的順利進(jìn)行。

2.2 硼酸濃度對硼酸、硝酸鈉晶體粒徑及產(chǎn)品純度的影響

體系中硼酸濃度過高，硝酸鈉濃度也將隨之升高。隨著產(chǎn)物濃度的上升，2種產(chǎn)物在溶液中的過飽和度也將升高，結(jié)晶過程將會造成晶核量過大，導(dǎo)致產(chǎn)物粒徑變小。較小的硼酸粒徑和較大的硝酸鈉粒徑有利于增加二者的當(dāng)量差，并有利于通過重力沉降的方法將二者分離。實驗考察了硼酸濃度對產(chǎn)物粒徑及純度的影響，結(jié)果見表1、圖2。

從表1可知，隨著溶液中硼酸濃度的上升，硼酸和硝酸鈉粒徑逐漸下降，二者的當(dāng)量差變小。在硼酸質(zhì)量濃度為155 g/L和145 g/L時，硼酸和硝酸鈉粒徑分別為 160～180 μm 和 212～250 μm，二者粒徑均較大，硼酸與硝酸鈉的粒徑差分別為52 μm和70 μm，這種情況有利于硼酸與硝酸鈉的分離。

表1 硼酸質(zhì)量濃度對產(chǎn)物粒徑的影響

圖2 硼酸質(zhì)量濃度對硼酸及硝酸鈉產(chǎn)品純度的影響

從圖2可見，隨著體系中硼酸濃度的上升，硼酸和硝酸鈉純度下降，當(dāng)ρ（硼酸）＞165 g/L時，硼酸和硝酸鈉純度呈明顯下降趨勢；而小于165 g/L時硼酸和硝酸鈉純度分別在99.5%和96%以上。顯然，ρ（硼酸）為145～165 g/L時，可以實現(xiàn)硼酸與硝酸鈉的有效分離，產(chǎn)品質(zhì)量符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。因此，實驗確定較佳的體系硼酸質(zhì)量濃度為145～155 g/L。

2.3 酸化終點pH對硼酸、硝酸鈉粒徑及純度的影響

通常情況下，體系的pH對硼酸的晶體粒徑與形狀有明顯的影響。在以硫酸處理硼鎂礦或硼砂礦制備硼酸時，隨著酸性的增強(qiáng)硼酸粒徑變小，甚至逐漸向片狀過渡，隨著酸性的減弱，晶體粒徑變大［5］。在酸化反應(yīng)時，如果加酸量不足，則B2O3或Na2B2O7·10H2O轉(zhuǎn)化不完全，產(chǎn)物晶核生成較慢，結(jié)晶不完全，影響產(chǎn)率和質(zhì)量；如果加酸過量，則產(chǎn)物在體系中的溶解度會隨著酸性的增強(qiáng)而下降，過飽和度升高。受此影響，在結(jié)晶過程生成的晶核數(shù)量也較多，所得結(jié)晶粒徑偏小。同時酸性太強(qiáng)將會增加對設(shè)備的腐蝕性，影響設(shè)備使用壽命。在固定硼酸濃度的條件下，考察了pH對H3BO3-NaNO3-H2O體系中硼酸、硝酸鈉晶體粒徑與純度的影響，結(jié)果見圖3、圖4。

從圖3可見，隨著體系pH的下降，硼酸和硝酸鈉粒徑增大，反之粒徑變小。而且實驗證明，在酸性較強(qiáng)的條件下制得的硼酸和硝酸鈉為顆粒狀晶體，在酸性較弱的條件下制得的硼酸和硝酸鈉則為細(xì)小的粉末狀晶體。這與硫酸硼鎂礦法、硫酸硼砂法制備硼酸時體系pH對晶體粒徑和形狀的影響存在明顯差異，這可能是由于體系化學(xué)組成的不同所致，具體原因有待于進(jìn)一步研究。

圖3 pH對硼酸及硝酸鈉產(chǎn)品粒徑的影響

圖4 pH對硼酸及硝酸鈉產(chǎn)品純度的影響

從圖4可知，隨著體系pH的上升，產(chǎn)物純度下降，這是由于產(chǎn)物粒徑較小，鈉硼分離不徹底造成的。實驗結(jié)果證明，在pH為2～2.5時產(chǎn)物粒徑較大，有助于硼酸與硝酸鈉的分離，因此，實驗確定最佳工藝條件為酸化過程控制反應(yīng)終點的pH為2～2.5。

2.4 結(jié)晶過程降溫方式對硼酸和硝酸鈉粒徑的影響

硼砂溶液酸化后，形成了H3BO3-NaNO3-H2O三元體系。該體系中硼酸和硝酸鈉處于共飽和狀態(tài)。結(jié)晶過程如果降溫速度太快，必將導(dǎo)致二者過飽和度迅速上升。在此情況下，會產(chǎn)生大量的晶核，最終導(dǎo)致晶體粒徑偏小，這將會對后期的鈉硼分離造成影響［3-4］。實驗采取了2種降溫方式，即自然冷卻降溫與快速冷卻降溫。結(jié)果證明，采用自然冷卻，產(chǎn)物晶體粒徑較大，但結(jié)晶時間較長（9 h）；采用快速冷卻，得到的產(chǎn)物晶體粒徑細(xì)小，結(jié)晶時間較短（4 h）。前者晶體粒徑大，有利于鈉硼分離，但結(jié)晶周期長，對設(shè)備生產(chǎn)能力的發(fā)揮有一定的影響。后者結(jié)晶周期較短，但產(chǎn)物晶體粒徑較小，對后期鈉硼分離不利。鑒于這種情況，筆者采用了高溫時快速冷卻，待料液降至一定溫度后調(diào)整為緩慢冷卻，結(jié)晶周期控制為6 h。在此條件下，硼酸和硝酸鈉的晶體粒徑大小適中，有利于鈉、硼分離。

2.5 母液循環(huán)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

實驗中對母液共進(jìn)行了15次循環(huán)。結(jié)果證明，雖然受其他因素的影響硝酸鈉主含量有所波動，但被控制在98%以上，硼酸主含量比較穩(wěn)定。母液循環(huán)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響見圖5。從圖5可以看出，母液循環(huán)次數(shù)的增加沒有給產(chǎn)物質(zhì)量造成明顯影響。其主要原因：1）采用硼砂礦先浸溶、后酸化工藝，避免或限制了Ca、Mg雜質(zhì)的溶出，體系中Ca、Mg濃度相對穩(wěn)定，沒有給產(chǎn)品質(zhì)量造成影響；2）采用前述優(yōu)化工藝條件，硼酸和硝酸鈉粒徑有效控制在合理范圍內(nèi)，為重力法分離硼酸和硝酸鈉提供了條件，從而實現(xiàn)了硼酸和硝酸鈉的有效分離，確保了產(chǎn)物純度。

圖5 循環(huán)次數(shù)對硼酸及硝酸鈉純度的影響

2.6 系統(tǒng)水平衡情況

實驗過程從硼砂礦的浸溶、過濾、中和、硼酸及硝酸鈉的結(jié)晶析出，水量呈逐漸減少的趨勢，無需蒸發(fā)和排放。工藝過程需用硼泥洗水對母液進(jìn)行適量補(bǔ)充。實驗過程母液量的變化情況見圖6。

圖6 母液量的變化情況

2.7 工藝流程

圖7為以硝酸處理西藏硼砂礦在免蒸發(fā)條件下一步法制備硼酸和硝酸鈉的工藝流程。

2.8 循環(huán)實驗結(jié)果

按照確定的工藝流程，在優(yōu)化工藝條件下進(jìn)行了以硝酸處理西藏天然硼砂礦免蒸發(fā)制備硼酸和硝酸鈉的循環(huán)實驗。實驗結(jié)果表明，原礦中硼砂浸出率為98.3%；產(chǎn)物制備過程硼收率為92%，鈉收率為91.5%；硼、鈉分離順利；硼酸產(chǎn)品質(zhì)量符合GB/T 538—2006一級品標(biāo)準(zhǔn)，硝酸鈉產(chǎn)品質(zhì)量符合GB/T 4553—2002標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)過程不對母液進(jìn)行蒸發(fā)，循環(huán)實驗重現(xiàn)性良好。

3 結(jié)論

1）實驗確定了以硝酸處理西藏天然硼砂礦一步法制備硼酸和硝酸鈉的優(yōu)化工藝條件：①原礦處理方式為先浸溶制備硼砂溶液，后酸化制備硼酸和硝酸鈉；②反應(yīng)過程控制體系硼酸質(zhì)量濃度為145～155 g/L；③酸化過程控制反應(yīng)終點的pH為2～2.5；④結(jié)晶周期控制為6 h；⑤結(jié)晶溫度控制在 25～28℃。并在此基礎(chǔ)上確定了工藝流程。

2）按照確定的工藝流程和優(yōu)化工藝條件，以硝酸處理西藏天然硼砂礦一步法制備硼酸和硝酸鈉，硼收率為92%，鈉收率為91.5%，產(chǎn)品質(zhì)量符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。實驗證明，該工藝適合于以西藏天然硼砂礦制備硼酸和硝酸鈉。

3）和現(xiàn)行的硝酸硼砂法工藝相比，該工藝省去了母液蒸發(fā)工序，節(jié)約了設(shè)備投資，減少了生產(chǎn)過程的能源消耗，降低了能耗成本。同時，以廉價的天然硼砂礦替代價格較高的進(jìn)口五水硼砂，大幅度地降低了原料成本。

［1］鄭學(xué)家.硼化物生產(chǎn)與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：10.

［2］龔殿婷，劉湘倩，李鳳華，等.硼砂酸化法制備硼酸過程中影響因素的研究［J］.硅酸鹽通報，2008，27（5）：1051-1054，1071.

［3］葉鐵林.化工結(jié)晶過程原理及應(yīng)用［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2006：526.

［4］趙龍濤，李入林，張明海.影響硼酸結(jié)晶形狀的因素［J］.海湖鹽與化工，2003，32（5）：15-17.