傳統(tǒng)法生產(chǎn)氧化鋯除硅工藝的研究

張吉武

新疆晶碩新材料有限公司 新疆烏魯木齊 830000

1 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的材料為鋯英砂，含有62.7%的ZrO2。選擇的鋯英砂與燒堿（化學(xué)純）的配比為1：1.3。將配比后的混合物放置于電爐中，設(shè)置650攝氏度的溫度燒結(jié)30分鐘。要保證每一組樣品在燒結(jié)前具備鋯英砂量為20g，在燒結(jié)結(jié)束后實(shí)施等分工作。

1.1 一次除硅

第一次除硅時(shí)，需要水漂洗燒結(jié)后研細(xì)的物質(zhì)三次，在第一次水漂洗作業(yè)中，采取三種方法，方法如下：

第一，加入適量水的過程呈現(xiàn)慢慢加入并采取適當(dāng)攪拌措施，靜置一段時(shí)間后，觀察上層溶液會產(chǎn)生從綠色轉(zhuǎn)變成淺棕色的懸濁液。

第二，加入適量水的過程呈現(xiàn)快速加入并采取適當(dāng)攪拌措施，靜置一段時(shí)間后，觀察上層溶液轉(zhuǎn)變的顏色比第一方法中的淺棕色的懸濁液要深。

第三，加入適量水的過程為快速并實(shí)施猛烈攪拌措施，靜置一段時(shí)間后，懸濁液呈棕色。

三種方法得到的漂洗液全部實(shí)施分離放置，實(shí)驗(yàn)一方法放置后在底部出現(xiàn)較多的白色物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)二方法放置后的白色物質(zhì)少。漂洗液中存在的硅含量應(yīng)用重量檢測法測定，利用發(fā)射光譜分析三種水漂洗方法可知，實(shí)驗(yàn)一中得到的漂洗液存在較多的鋯，而實(shí)驗(yàn)二中得到的漂洗液低于實(shí)驗(yàn)一，實(shí)驗(yàn)三中含量最少。

1.2 二次除硅

在二次除硅作業(yè)中，采取三組實(shí)驗(yàn)過程，應(yīng)用上述實(shí)驗(yàn)三的方式達(dá)到除去漂洗液中存在的大部分可溶性Na2SiO3。

第一組實(shí)驗(yàn)的目的是得到鹽酸提取過程中存在的恒溫時(shí)間，對趁熱抽濾、水處理鹽酸提取體系后抽濾進(jìn)行比較工作，確認(rèn)兩者的效果。漂洗后的樣品實(shí)施烘干措施，并平均分成5份，標(biāo)記為1度至5度，每一份都采取25%HCL（分析純）的提取方式。在1度樣品中加入適量凝聚劑，并在80±5攝氏度的電爐中恒溫80分鐘，并保持熱度時(shí)開展抽濾工作。在此過程中，應(yīng)多次更換濾紙，因?yàn)楣枘z堵塞較為嚴(yán)重，如果不更換濾紙會影響最終的結(jié)果。2度樣品同樣實(shí)施恒溫80分鐘，而3-5度的樣品實(shí)施逐一減少20分鐘的方式。所以樣品恒溫結(jié)束后，需靜置冷卻4小時(shí)后再加入適量的水，從而有效溶解析出的ZrOCl2·8H2O。實(shí)施加熱措施后靜置20分鐘，然后開展抽濾工作20-30分鐘，此過程中不需要更換濾紙。洗滌2-5度樣品中分析的硅膠，并進(jìn)行900攝氏度的鍛煉工作，得到純白色的SiO2，并且呈現(xiàn)出微細(xì)粉末的狀態(tài)。從各種樣品得到的SiO2數(shù)量可知，恒溫時(shí)間未對硅酸聚沉與分離產(chǎn)生任何影響。從1度樣品的除硅過程中，分離后的硅膠與熱鹽酸腐蝕的濾紙?jiān)?00攝氏度的煅燒后，得到的白色片狀產(chǎn)物較為堅(jiān)硬，可能是ZrO2、SiO2、SiC混合物。

第二組實(shí)驗(yàn)的目的是得到水對鹽酸提取液處理后所需的靜置時(shí)間，烘干漂洗后的樣品，平均分成4份（標(biāo)號為2-5度），提取鹽酸時(shí)進(jìn)行30分鐘的恒溫，待冷卻后再靜置60分鐘，應(yīng)用的水處理?xiàng)l件與第一組實(shí)驗(yàn)過程相同。實(shí)施自然冷卻并靜置2度樣品30分鐘，而3-5度樣品采取依次增加靜置時(shí)間30分鐘，抽濾工作保持20-30分鐘。稍微洗滌硅膠后，再進(jìn)行煅燒，最后得到微細(xì)粉末的白色SiO2。從各種樣品得到的SiO2數(shù)量可知，除硅量與靜置時(shí)間密切相關(guān)，靜置時(shí)間越長，除硅量越低。

第三組實(shí)驗(yàn)的目的是得到水處理工作中需要的加水量，烘干漂洗后的樣品，平均分成4份，標(biāo)號為2-5度，提取過程如同第二組實(shí)驗(yàn)。在2-5度樣品中加水，水量比為1：1.5：2：2.5。加水后不需要加熱，靜置30分鐘后開展抽濾工作。抽濾中不實(shí)施更換濾紙措施，過濾時(shí)間達(dá)到8-1ch。分離后的硅膠經(jīng)過洗滌、煅燒后得到微細(xì)粉末的純白色SiO2。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，加水量與除硅量成反比，加水量越多除硅量越少[1]。

1.3 三次除硅

實(shí)施二次除硅工作后，濾液已經(jīng)濃縮成一半，通過冷卻方式將ZrOCl2·8H2O全部析出后，實(shí)施抽濾工作，抽濾后的物質(zhì)運(yùn)用少量的鹽酸進(jìn)行混合性的洗滌，使最后得到的物質(zhì)呈純白色，將得到的結(jié)晶體放置于適量的水中，再與空白溶液相對比。如果溶液產(chǎn)生渾濁需要采取過濾措施。

在三次除硅后，應(yīng)用沉淀-分解法將Zr（OH）4分離出來，應(yīng)用500攝氏度煅燒措施得到完整的、純白色的四方相與單斜相混合體ZrO2。

2 討論

從上述實(shí)驗(yàn)過程得到，鋯英砂經(jīng)過煅燒后產(chǎn)生的鋯酸鈉難溶于水，但是在遇水過程中會水解成Zr（OH）2。水漂洗過程屬于放熱的過程，如果產(chǎn)生局部溫度高的現(xiàn)象，會使水解的速度加速[2]。在水漂洗過程中實(shí)施迅速攪拌方式，能夠避免產(chǎn)生局部溫度過高的問題，最低限度的控制水解。

經(jīng)過測定鹽酸提取液水處理后的酸度，產(chǎn)生降低5%左右的結(jié)果，未顯著性影響硅酸凝聚。硅酸凝聚研究所應(yīng)用的pH范圍采取大于pH的范圍內(nèi)開展。影響硅酸聚合的因素中，酸度是影響力度最強(qiáng)的因素。如果站在質(zhì)子化的硅酸正離子H5SiO4+、中性分子H4SiO4間的羥聯(lián)反應(yīng)角度，pH范圍內(nèi)，即使酸度發(fā)生較小的變化，也會引發(fā)H5SiO4+、H4SiO4相對量的較大變化，對聚合產(chǎn)生顯著性的影響。站在本實(shí)驗(yàn)的角度，鹽酸提取液酸度在15-20%的范圍內(nèi)變動(dòng)不會明顯影響兩者的變化。

經(jīng)過二次除硅的第二組、第三組實(shí)踐可知，水處理后的鹽酸提取液加熱工藝能夠重新聚合加水時(shí)產(chǎn)生局部破壞的硅膠，并有利于進(jìn)一步陳化硅膠而實(shí)現(xiàn)降低粘度的目的[3]。第一組實(shí)驗(yàn)開展的趁熱抽濾措施，是為了證明硅膠分離困難。從此可知，傳統(tǒng)工藝中實(shí)施的趁熱抽濾法，具有難以洗滌與分離硅膠吸附的大量ZrOCl2，使鋯回收能力降低，并不利于硅膠的后處理工作。

本次研究提出的新工藝具有可行性的特點(diǎn)，結(jié)合了其他改進(jìn)的單元操作模式，能夠獲得高純度的氧化鋯，并且回收率達(dá)70%左右，能夠在每生產(chǎn)1噸ZrO2時(shí)降低0.5噸的鋯英砂的消耗，具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

3 結(jié)語

綜上所述，傳統(tǒng)法生產(chǎn)氧化鋯除硅工藝存在著缺陷，通過研究工藝開展的過程，能夠針對缺陷問題改善工藝措施，從而使此工藝的質(zhì)量與效率大幅度提升，促進(jìn)工藝的發(fā)展。另外，工藝開展過程中所產(chǎn)生的硅酸凝膠具有污染環(huán)境的問題，應(yīng)改進(jìn)傳統(tǒng)工藝，避免硅酸凝膠污染環(huán)境。