硫酸氫銨焙燒法從高鈦渣中提鈦制備二氧化鈦的水解過(guò)程研究

徐麗霜，隋麗麗，葛欣，邵爽

（1.沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)2016級(jí)8班，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院化學(xué)系）

納米二氧化鈦是一種重要的半導(dǎo)體金屬氧化物，具有良好的光學(xué)催化特性、耐化學(xué)腐蝕性和熱穩(wěn)定性，已被廣泛用于光催化和顏料、光致變色器件、防污、抗老化和汽車(chē)面漆等領(lǐng)域［1-3］。腫瘤光動(dòng)力治療是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新的治療腫瘤的方法，光敏劑的選擇是光動(dòng)力治療的關(guān)鍵，納米二氧化鈦（TiO2）在紫外線(xiàn)（hυ≥3.2 eV）照射下，產(chǎn)生的活性氧與空穴等組分能對(duì)腫瘤細(xì)胞內(nèi)外的生物大分子產(chǎn)生強(qiáng)氧化作用，從而有效地殺滅腫瘤細(xì)胞［4-6］。因?yàn)門(mén)iO2的光催化氧化具有選擇性強(qiáng)、微創(chuàng)、基本不傷害正常組織、安全、毒副作用小、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，成為最具前途的抗癌光敏劑之一［7-9］。

本研究采用四川某地高鈦渣為原料，采用焙燒法，硫酸氫銨作為焙燒試劑，得到的熟料溶出即為硫酸氧鈦溶液。硫酸氧鈦溶液水解是指將鈦從溶液中沉淀轉(zhuǎn)變?yōu)槠佀岬倪^(guò)程。硫酸氧鈦溶液水解過(guò)程是制備TiO2的重要工序之一，硫酸氧鈦溶液水解沒(méi)有固定的pH值，只要在稀釋或加熱的條件下就可水解析出偏鈦酸［10-11］。本實(shí)驗(yàn)采用自生晶種法，考察水解溫度、水解時(shí)間、加料速度和底水量等因素對(duì)二氧化鈦水解率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料 硫酸氫銨焙燒高鈦渣后得到熟料，溶出后得到硫酸氧鈦溶液。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理 硫酸氧鈦溶液發(fā)生水解的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 （1）焙燒：將鈦渣和硫酸氫銨混合均勻置于坩堝中，通過(guò)電阻絲加熱爐加熱至480℃、保溫60 min后取出，冷卻至室溫，即熟料。（2）溶出：熟料中加入一定量的去離子水溶出。溶出固定實(shí)驗(yàn)條件：溶出溫度70℃、固液質(zhì)量比為 1∶5，攪拌速率 500 r∕min，溶出時(shí)間 50 min。（3）合格硫酸氧鈦溶液的制備：將硫酸氧鈦溶液恒溫60℃（溫度過(guò)高，溶液發(fā)生水解生成膠體），在攪拌的條件下加入微量的鐵屑，將其Ti3+的含量調(diào)節(jié)到0.5 g∕L。（4）水解：將底水加熱至沸騰，置于一定溫度的恒溫油浴中，在攪拌速率為300 r∕min的條件下將60℃的硫酸氧鈦溶液緩慢滴加到底水中，加熱攪拌一定時(shí)間后抽濾，可得到偏鈦酸沉淀（水解過(guò)程中要適當(dāng)?shù)难a(bǔ)水保持溶液的體積）。

TiO2的測(cè)定采用硫酸高鐵銨滴定法。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)TiO2水解率的影響 在底水量O為 5∶1，加料速率為 20 ml∕min，水解時(shí)間為1.5 h的實(shí)驗(yàn)條件下，考察溫度對(duì)TiO2水解率的影響。硫酸氧鈦溶液的水解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度加速水解反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)溫度在80℃時(shí)，水解率為54.3%；當(dāng)反應(yīng)溫度升高到110℃時(shí)，水解率就達(dá)到了90.5%，最佳水解溫度為油浴110℃。見(jiàn)圖1。

圖1 溫度對(duì)TiO2水解率的影響

2.2 加料速率對(duì)TiO2水解率的影響 加料速率是指將硫酸氧鈦溶液滴加到底水中所需的時(shí)間。本次實(shí)驗(yàn)確定的加料速率為10～30 ml∕min，在水解溫度為油浴溫度110℃，底水量為VTiOSO4∕VH2O5∶1，水解時(shí)間為1.5 h的實(shí)驗(yàn)條件下考察加料速率對(duì)TiO2水解率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2中可看出滴定速率太快影響水解率，最佳加料速率控制在 15 ml∕min。

圖2 加料速率對(duì)TiO2水解率的影響

2.3 底水量對(duì)TiO2水解率的影響 本次實(shí)驗(yàn)確定硫酸氧鈦溶液與水的比例為（3～6）∶1。在油浴溫度110℃，加料速率在15 ml∕min，水解時(shí)間為1.5 h的實(shí)驗(yàn)條件下，考察底水量對(duì)TiO2水解率的影響。結(jié)果見(jiàn)圖3。硫酸氧鈦溶液的水解反應(yīng)是可逆反應(yīng)，不能反應(yīng)完全，當(dāng)?shù)姿縑TiOSO4∕VH2O為5∶1時(shí)水解率趨于平緩。

2.4 水解時(shí)間對(duì)TiO2水解率的影響 水解時(shí)間的長(zhǎng)短能決定水解過(guò)程進(jìn)行的完全程度。水解時(shí)間長(zhǎng)，能提高水解率。在底水量VTiOSO4∕VH2O為5∶1，加料速率為 15 ml∕min，水解溫度為油浴110℃的實(shí)驗(yàn)條件下考察水解時(shí)間對(duì)TiO2水解率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，隨著水解時(shí)間的增加，TiO2的水解率是不斷增加的，當(dāng)水解反應(yīng)80 min時(shí)，水解率可達(dá)到98%。

圖3 底水量對(duì)TiO2水解率的影響

圖4 水解時(shí)間對(duì)TiO2水解率的影響

3 結(jié)論

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)得到硫酸氧鈦溶液水解反應(yīng)的最佳實(shí)驗(yàn)條件為：水解反應(yīng)溫度為油浴110℃，底水量VTiOSO4∕VH2O為 5∶1，溶液滴定速率為 15 ml∕min，反應(yīng)時(shí)間為 80 min，在此實(shí)驗(yàn)條件下TiO2水解率可達(dá)到98%。