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碱熔盐法制备颜料级二氧化钛(钛白)工艺是一种不同于传统硫酸法、氯化法制备钛白的清洁生产新工艺,该新工艺具有高反应活性、介质可循环、产品可调控等优点。为了实现碱法钛白新工艺制备得到高品质的颜料级二氧化钛产品,并完善和优化碱法钛白清洁生产的工艺过程,本文重点研究了氢氧化钠熔盐法分解高钛渣制备颜料级二氧化钛新工艺中偏钛酸的离子掺杂和煅烧过程,系统分析了离子掺杂、煅烧过程中各种因素对于制备二氧化钛产品性能的影响,并对其相关的工艺过程及机理进行了系统的实验研究和理论分析。
本论文主要在以下几个方面取得了创新成果:
(1)从主要杂质种类及含量、微观结构、晶体晶型等方面,系统分析了碱(NaOH)熔盐法和传统硫酸法制备得到的偏钛酸存在的差异。发现碱法钛白未经过除杂工艺得到的偏钛酸中含有较高含量的Na2O、SiO2、ZrO2,该偏钛酸的微结构受到水解的影响很大。研究了碱熔盐法制备得到的偏钛酸在煅烧过程中的物理、化学变化,其中TiO2的晶型转化主要在850-980℃之间；晶粒、颗粒的生长主要受到煅烧温度的影响,在850-950℃之间生长迅速。
(2)对碱熔盐法TiO2晶型转化动力学的研究结果表明,TiO2的晶型转化分为新相成核和相生长两个阶段。转化温度较低时,晶型转化机制为“表面成核”；转化温度较高时,则为“在已成核表面上的稳定长大过程”。
(3)系统研究了K2O、P2O5、Al2O3和金红石型TiO2晶种的掺杂对于TiO2煅烧过程中的晶型转化、颗粒生长的影响。研究结果表明,K2O、P2O5、Al2O3的掺杂抑制晶型的转化,而金红石型TiO2晶种的掺杂则促进晶型的转化；K2O、P2O5、Al2O3的掺杂还分别起到抑制颗粒高温烧结、抑制颗粒的生长、抑制颗粒在高温煅烧下过度生长的作用。
(4)通过控制离子掺杂和煅烧过程,完善了碱熔盐法制备颜料级二氧化钛新工艺。在优化的工艺条件下,制备得到了符合市场标准的金红石型和锐钛矿型的钛白粉产品。碱熔盐法制备得到颜料级TiO2产品在色度、金红石含量、杂质含量、消色力、纯度等方面的指标,都已经达到或超过硫酸法钛白产品。
(5)系统研究了熔盐法生产过程中的三种主要杂质(Na2O、SiO2和ZrO2)对于最终TiO2产品颜料性能的影响。研究结果表明,Na2O、SiO2和ZrO2的存在都会抑制晶型的转化；Na2O与偏钛酸中残留的SO42-作用会使TiO2产生液相烧结,SiO2、ZrO2的存在会抑制颗粒的生长。进一步研究了钛白粉中残余其它杂质(Fe2O3、Nb2O5、PbO、MnO2、Cr2O3、CoO、CuO等)于TiO2产品质量的影响,并对其相关的影响机理进行了分析。
(6)进一步分析了碱熔盐反应温度对于酸溶、水解过程的影响。研究了碱熔盐法TiO2产品中主要杂质Na2O、SiO2、ZrO2的形成过程,并提出了“水洗”脱Na2O,“碱洗+絮凝”除SiO2、ZrO2的除杂工艺。还分析了Na2O、K2O、Al2O3、P2O5的加入对于煅烧过程中SO42-脱除的影响。