高純氧化鈦制備工藝中吸附除磷研究

祝袁園

（西安建筑科技大學，陜西 西安 710000）

1 簡介

二氧化鈦作為用途最為廣泛的白色顏料，在人們的日常生活中有著重要的作用。隨著人們對二氧化鈦的研究越來越深入，科研工作者們發現高純二氧化鈦不僅具有十分穩定的化學性質，還具有優良的力學、電學及光學性能，因此成為了在諸多應用領域大放異彩的優質材料。但是，要提高二氧化鈦在這些領域的應用性能，并形成的大規模工業化生產能力，就需要對二氧化鈦純度提出了更高的要求。例如，在制備高功能陶瓷如電子陶瓷、結構陶瓷等時，為了提高粉體材料的活性、細密性、降低燒成溫度、增加材料的強度、韌性和電性能，就必須降低粉末原料的雜質含量。在高純二氧化鈦制備過程中一個常見問題為磷含量過高，本研究通過探究二氧化鈦礦物浸出液的凈化方法，將凈化后的二氧化鈦礦物浸出液作為制備高純二氧化鈦的原料，從而達到降低粉末原料雜質含量的目的[2]。本研究主要采用吸附法除磷，選用的吸附劑分別為：二氧化鈦，合成選擇性磷吸附樹脂，改性活性炭，氧化活性炭。通過對上述不同類型的吸附劑的性能進行比較，發現改性活性炭對磷的選擇性最好，同時通過控制變量法，發現其最佳吸附條件如下：吸附劑投加量20g,吸附時間8h，吸附溫度60℃。在最佳吸附條件下磷的含量下降了60%，對高純二氧化鈦的純度具有明顯改善作用。

2 實驗部分

典型吸附方法：量取適量二氧化鈦礦物浸出液加入潔凈的容量瓶中，加入去離子水定容，把配制好的漿液倒入三口燒瓶中，并把三口燒瓶固定在鐵架臺上，安置好攪拌棒和溫度計，調節鐵架臺的高度，使其下部浸入到水浴加熱鍋中；開啟電源，移取適量的吸附劑加入二氧化鈦礦物浸出液中，設定好水浴鍋的溫度，當水浴鍋的溫度達到設定值后，啟動攪拌器使其在三口燒瓶中勻速攪拌，將此時設定為反應起始時間；當達到預定的反應時間后，停止攪拌，并將三口燒瓶移出水浴鍋。將三口燒瓶中的溶液進行過濾，完全去除溶液中顆粒物后，將剩余溶液轉移至燒杯中保存、備用。

3 實驗結果與討論

3.1 不同吸附劑除磷效果對比

為考察不同吸附劑對磷元素的去除效果，本文分別選取了選擇性磷吸附樹脂、活性炭、改性活性炭和二氧化鈦四種材料作為吸附劑，開展了對同批次二氧化鈦礦物浸出液進行吸附實驗，得到了它們對二氧化鈦礦物浸出液中磷的吸附情況結果，且設置了空白對照實驗。吸附劑投加量為飽和吸附量的120%，吸附時間為6h，吸附溫度為40℃，吸附過程中采用中速攪拌。每組實驗平行三次，實驗結果取三次實驗結果的平均值。實驗結果如下圖1所示，從左向右四組數據分別為選擇性磷吸附樹脂、活性炭、改型活性炭和二氧化鈦對二氧化鈦礦物水解浸出液中磷進行吸附后，水解浸出液中剩余磷的量，“未吸附”這一組數據為空白對照組；空白對照組中，水解浸出液中剩余磷的量最多，二氧化鈦、選擇性磷吸附樹脂、活性炭和改性活性炭吸附后水解浸出液中剩余磷的量依次減少。通過這幾組數據比較可知，幾種吸附劑對磷均具有吸附作用，二氧化鈦的吸附效果最差，而改性活性炭對磷的吸附效果較其他幾種吸附劑效果最優。這是由于活性炭的表面具有疏松多孔的結果，而經過改性后得到的改性活性炭在其表面形成了一層表面活性劑，可以在溶液中具有更好的分散性，且對溶液中游離磷的捕捉能力更強。因此改性活性炭在這幾種吸附劑中，具有最好的除磷效果。

圖1 不同吸附劑對磷的吸附能力對比

3.2 改性活性炭吸附除磷的參數研究

3.2.1 吸附劑不同投加量的影響

首先我們考察了改性活性炭吸附劑投加量對產品中磷含量的影響情況，結果如圖2所示，顯示了不同的改性活性炭吸附劑投加量對二氧化鈦礦物浸出液中磷含量的影響曲線。從影響曲線的分析可知，隨著改性活性炭投加量的增加，二氧化鈦礦物浸出液中磷的含量呈現出先增加后降低的趨勢，其飽和吸附容量為60g。在達到改性活性炭的飽和吸附容量之前，隨著活性炭投加量的增加，其對磷的吸附效果逐漸增強；而在達到改性活性炭的飽和吸附容量之后，繼續增加改性活性炭投加量，對磷的吸附效果反而減弱了。這是由于改性活性炭對磷的吸附作用主要來自于其表面的多孔結構，和由此帶來的高比表面積。當改性活性炭投加量未達到其飽和吸附容量時，其總比表面積隨著投加量的增加而增加，因此呈現出對磷的吸附效果越來越好的現象；當改性活性炭投加量超過其飽和吸附容量時，改性活性炭在二氧化鈦礦物浸出液中的分散性會逐漸變成，而表現出團聚的現象，一旦其發生團聚，總比表面積反而會逐漸降低，因此其對磷的吸附能力會隨著投加量的繼續增加而減弱。

圖2 不同吸附劑投加量對改性活性炭吸附磷含量的影響

3.2.2 不同吸附時間的影響

圖3為改性活性炭吸附時間對二氧化鈦礦物浸出液中吸附的磷含量的影響曲線。從圖中我們可以看出隨著吸附時間的延長，二氧化鈦礦物浸出液中吸附的磷含量同樣呈現出先增加后減少的趨勢，且在6h時對磷的吸附達到最大量。同時，可以看出活性炭吸附二氧化鈦礦物浸出液中的磷是一個較為快速的過程。當改性活性炭吸附劑加入后，就在二氧化鈦礦物浸出液內立即發生對磷的吸附行為，然而其吸附速率會隨著時間的延長而減小，經過6h后，可以達到吸附與解吸平衡。這是由于改性活性炭的孔隙率是一定的，而在加入的改性活性炭的量一定的情況下，其孔隙的總量也是是有限的，隨著吸附磷的量越來越多，其剩余孔隙量會越來越少，因此其吸附速率也會越來越低。當超過一定時間后，繼續延長吸附時間，反而會使磷的解吸行為大于吸附行為，這主要是由于二氧化鈦礦物浸出液中除了磷以外，還含有其他的雜質成分能夠被改性活性炭所吸附，從而占用磷吸附的空間，當吸附時間過長時，這種吸附現象會越來越多，因此提高了磷的解吸率，使得磷的吸附量減小。

圖3 不同吸附時間對改性活性炭吸附磷含量的影響

3.2.3 不同吸附溫度的影響

圖4為不同吸附溫度對二氧化鈦礦物浸出液中改性活性炭吸附磷含量的影響曲線，從圖中可以看出隨著二氧化鈦礦物浸出液溫度的升高，改性活性炭吸附的磷含量先升高后降低，當溫度達到40℃左右時，改性活性炭對磷的吸附量最大，吸附效果最佳。這是由于隨著溫度的升高，改性活性炭對磷吸附速率和解吸速率均增大，但是低于40℃左右時，吸附速率大于解吸速率；當達到40℃左右時，吸附速率和解吸速率達到平衡；當大于40℃左右時，解吸速率大于吸附速率，改性活性炭對磷的吸附量逐漸減小；而當溫度繼續提高后，由于二氧化鈦礦物浸出液中的其他可吸附雜質會逐漸析出，導致磷的吸附量增加，但是仍然小于40℃時的吸附量。

圖4 不同吸附溫度對改性活性炭吸附磷含量的影響

4 結論

本文研究了選擇性磷吸附樹脂、活性炭、改性活性炭和二氧化鈦四種材料在二氧化鈦礦物浸出液中對磷的吸附能力，以及改性活性炭吸附磷的不同參數的影響，得出了以下結論：

（1）改性活性炭由于在二氧化鈦礦物浸出液中具有更好的分散性，且對溶液中游離磷的捕捉能力更強，因此在選擇性磷吸附樹脂、活性炭、改性活性炭和二氧化鈦這四種吸附劑中，具有最好的除磷效果。

（2）隨著活性炭投加量的增加，改性活性炭其對磷的吸附能力呈現出先增大后減小的趨勢。

（3）隨著吸附時間的延長，改性活性炭其對磷的吸附能力呈現出先增大后減小的趨勢。

（4）隨著溫度的升高，改性活性炭其對磷的吸附效果呈現出先增強后減弱，再增強的趨勢。