核電級高純硼酸的制備工藝探討

霍松岷(中國核動力研究設計院，四川 成都 610041)

近年來，隨著我國高新科技的不斷發展，對高純硼酸的需求正在不斷增多，同時對硼酸的純度也提出了更高的要求，就核工業而言，硼酸主要用于核電站水冷反應堆的中子屏蔽，對純度的要求在99.99%以上，而國產硼酸因受技術條件的限制，還很難達到這一要求，為解決國內日趨增大的核電級高純硼酸市場需求，提高該類產品的附加值，有必要對當前高純硼酸制備工藝進行優化，形成更具可行性和經濟價值的核電級高純硼酸制備工藝技術體系。

1 制備工藝優化

1.1 傳統實驗方法

傳統實驗所用試劑包括工業級硼酸、電子級高純水以及一次和二次轉化助劑（均為分析純）；儀器包括磁力攪拌器、高純水制備儀、電子天平、離子體原子發射光譜、離子色譜和真空干燥箱，實驗流程為：將工業硼酸溶解于高純水中，加熱溫度控制在60-90℃；在濾液中加入一次轉化助劑，反應溫度控制在35-90℃之間，得到pH為5.5-10.5的溶液，經恒溫過濾，冷卻并結晶，離心分離晶體后獲得中間產物晶體；再將獲得產物溶解于高純水中，加熱溫度控制在35-100℃；在濾液中加入二次轉化助劑，攪拌40min左右，得到pH為1.0-5.0的溶液，冷卻重結晶，離心分離晶體并循環使用母液，最終獲得高純硼酸產品[1]。

1.2 最佳工藝條件確定

為確定核電級高純硼酸制備工藝所需最優工藝條件，需對傳統制備工藝進行優化，首先用進行一組正交實驗設計，一般情況下，各因素對工業硼酸除鈣效果的影響程度以二次轉化反反應pH值最為顯著，在中間產物二次轉化反應過程中，pH值的降低對提高金屬雜質的溶解度以及產品的純度比較有利，但是隨著加入量的逐漸增大，其自身所攜帶的雜質也會增多，并隨晶體一同析出，進而會影響到產品的純度。實驗證實，二次轉化反應溫度在50℃時，硼酸的除鈣效果最為理想，由此在鈣的極差分析基礎上，即可將最佳工藝條件確定為A4B2C4D2：一次轉化反應溫度為50℃，反應pH值為6.0-6.5；一次轉化反應溫度為50℃，反應pH值為2.0-3.0[2]。同樣，在鉛的極差分析基礎上，即可將最佳工藝條件確定為A1B2C1D4：一次轉化反應溫度為80℃，反應pH值為6.0-6.5；一次轉化反應溫度為80℃，反應pH值在1.0以下。通過對硼酸晶體中鈣和鉛含量的綜合考察，在此將核電級高純硼酸的制備工藝條件確定為：一次轉化反應溫度為50℃，反應pH值為6.0-6.5；一次轉化反應溫度為70℃，反應pH值為2.0-3.0。

1.3 制備工藝流程設計

制備核電級高純硼酸過程中，會在一次轉化反應和二次轉化反應中各產生一部分母液，為節約資源和縮減成本，應對這兩部分的母液加以循環利用，但要想確保產品的純度，就必須對母液循環次數對產品純度產生的影響進行分析，確定最優母液循環次數[3]。通過以往實驗對產品中Ca、Pb、F、S042-、Cr的含量的對比分析，將一次轉化母液循環利用次數確定為3次，二次轉化母液循環利用次數確定為4次。純化工藝流程為：將工業硼酸溶解于高純水中，固液比為1：4-9.5，先在溶料罐中加熱溶解，溫度控制在35-90℃；再放入反應罐中并加入一次轉化助劑，反應溫度為50℃之間，得到pH為6.0-6.5溶液后停止反應；經恒溫過濾，溫度保持在50℃左右，然后冷卻并結晶；待完全結晶后進行離心分離，對液相進行循環再利用，對固相進行烘干，獲得高純硼酸晶體，并繼續完成循環利用過程。

2 工藝可行性分析

核能是目前可以進行大規模發展的替代性能源，隨著我國核電產業的擴大化，其對高純硼酸的需求量與日俱增，從環境效益來看，對核電級高純硼酸制備工藝進行優化，可促使溶劑等原料實現循環再利用，減輕產品生產對環境造成的危害；從經濟效益來看，有助于降低產品的生產成本，與傳統制備工藝相比，其成本優勢和環境效益尤為明顯，而且通過循環利用，也可增加產品的附加值，其在環境和經濟方面均具有可行性，該生產工藝值得加以推廣和廣泛應用[4]。

3 結語

綜上所述，通過對工業硼酸純化的工藝流程以及該過程中的影響因素進行分析，在此對核電級高純硼酸制備工藝進行優化，重新設計了核電級高純硼酸制備的工藝流程，無論是從環境效益還是經濟效益來看，都具有很強的可行性，關于該項技術產業化的研究還有待進一步探討，希望能夠起到一定的借鑒作用。

[1]龔殿婷，李鳳華，樊占國，等.高純硼酸的制備及其影響因素[J].中南大學學報（自然科學版），2010，11（5）:1756-1760.

[2]潘欣艾.光電/核電級高純硼酸的制備及結晶形貌研究[D].大連理工大學，2011.

[3]王浩宇.高純硼酸及其鈉鹽和鋅鹽的制備和表征[D].大連理工大學，2012.

[4]潘欣艾，葉俊偉，王浩宇，等.絡合結晶法制備高純硼酸的研究[J].無機鹽工業，2011，10（3）:18-21.