鈦白粉生產工藝

1硫酸法鈦白生產的工藝流程簡述

硫酸法生產鈦白是成熟的生產方法，使用的原料為鈦鐵礦或鈦渣。下面主要敘述以鈦精礦為原料的生產方法。

A、工藝流程

硫酸法生產鈦白主要由下列幾個工序組成：原礦準備；用硫酸分解精礦制取硫酸鈦溶液；溶液凈化除鐵；由硫酸鈦溶液水解析出偏鈦酸；偏鈦酸煅燒制得二氧化鈦以及后處理工序等。

B、工藝流程簡述

（１）原礦準備

按照酸解的工藝要求，用雷蒙磨磨礦，將鈦精礦粉碎至一定的粒度。

（２）硫酸鈦溶液的制備

鈦液的制備實際上包括鈦精礦的酸分解，固相物的浸取，還原等工藝步驟。

酸分解作業是在耐酸瓷磚的酸解罐中進行的。將濃度為92-94％的濃硫酸裝入酸解罐中并通入壓縮空氣，在攪拌的情況下加入磨細的鈦精礦。精礦與硫酸的混合物用蒸氣加熱以誘酸解主反應的進行，主反應結束后，讓生成的固相物在酸解罐中熟化，使鈦精礦進一步分解，分解后所得固相物基本上是由鈦鐵硫酸鹽和一定數量的硫酸組成。在些過程中加入上海博易和的BX-839消泡劑，完全解決了泡沫問題。

固相物冷卻到一定溫度后，用水浸出，并用壓縮空氣攪拌，浸出完全以后，浸出溶液用鐵屑還原，將溶液的硫酸高鐵還原成硫酸亞鐵。

（３）鈦液的凈化

鈦液凈化包括沉降、結晶、分離、過濾等工序。

沉降是借助于重力作用，向鈦液中加入沉降劑（主要絮凝劑是改性聚丙烯酰胺），除去鈦液中的不溶性雜質和膠體顆粒，使鈦液初步凈化。

冷凍結晶在冷凍鍋中進行，主要利用硫酸亞鐵的溶解度隨著鈦液溫度降低而降低的性質。用冷凍鹽水帶走鈦液熱量，使其降至適當的溫度，從而使大量的硫酸亞鐵結晶析出。

分離、過濾是由錐藍離心機分離，抽濾及板框壓濾三個工序構成。冷凍后的鈦液經錐藍離心機分離及抽濾池抽濾，得到初步凈化的稀鈦液，最后將稀鈦液通過板框壓濾，得到符合生產需要的清鈦液。

（４）鈦液濃縮

鈦液濃縮采用連續式薄膜蒸發器，在減壓真空的條件下蒸發掉鈦液中的水份，以符合水解工序的需要。

（５）水解

水合二氧化鈦是由鈦的硫酸鹽溶液熱水解而生成的。為了促進熱水解反應，并使得到的水合二氧化鈦符合要求，一般采用引入晶種或自生晶種的方法。

（６）水洗及漂洗

由于水解反應是在較高的酸度下進行的，因此大部分雜質磷酸鹽仍以溶解狀態留在母液中。水洗的任務是將水合二氧化鈦與母液分離，再用水洗滌以除盡偏鈦酸中所含可溶性雜質。經過水洗而仍殘留在水合二氧化鈦中的最后一部分雜質（高鐵為主），則以漂洗來除去，即在酸性條件下以還原劑將不溶的高鐵還原為可溶性的亞鐵，再進行二次水洗。

（７）鹽處理

鹽處理是在鹽處理鍋中進行。

在充分攪拌的情況下，向偏鈦酸漿液中加入碳酸鉀和磷酸等鹽處理劑，可防止煅燒物料燒結，隱蔽雜質元素的顯色，使煅燒產品顆粒松軟，色澤潔白等。

（８）煅燒

回轉窯是目前最廣泛采用的煅燒設備。

鹽處理后的偏鈦酸在回轉窯中經高溫脫水、脫硫及晶型轉化等過程，得到具有顏料性能的鈦白粉。

（９）后處理

二氧化鈦后處理是按照不同用途對煅燒所得二氧化鈦進行各種處理以彌補它的光活性缺陷，并改變它的表面性質。后處理包括分級，無機和有機表面包膜處理，過濾，干燥、超微粉碎和計量包裝等，從而獲得表面性質好，分散性高的二氧化鈦成品。

總之，硫酸法的優點是可直接用鈦鐵礦作原料，設備簡單，工藝技術容易掌握，缺點是三廢量大，不利于環境保護，并且處理三廢費用很多，從而使生產成本增加。為克服上述缺點，采用含TiO2 70-80％的鈦渣為原料，不但可降低硫酸消耗的三分之一，而且廢副產品物排出量可減少30％。

2  原礦的粉碎

A、目的

鈦精礦一般粒度比較粗，比表面積較小，酸解時與硫酸接觸面積小，不易被硫酸有效地分解。因此，在使用前必須將其磨細，以增加反應接觸面，使酸解反應能夠正常進行。

參加酸解反應的礦粉不僅必須達到一定的細度，而且粒度分布要求窄而均勻，這樣才能得到較高的酸解率，得到符合工藝要求的硫酸鈦液。一般礦粉細度要求為：325目 篩余≤1.5%。

B、粉碎的工藝流程

鈦精礦由斗提式提升機送入貯料斗，再由給料裝置將原礦定量、均勻、連續地送入雷蒙磨進行粉碎。已被粉碎的物料由鼓風機鼓入的空氣流以分析器帶出，粗顆粒被擋后落入粉碎區域重新返回雷蒙磨構成閉路循環。分離出的物料自旋風分離器下部卸出，進入礦粉中間貯槽，再由脈沖氣力輸送泵，送至礦粉貯槽，供酸解使用。

部份循環風經布袋收塵器除塵后排空，收塵下來的飛粉進入礦粉中間貯槽。

C、粉碎設備---雷蒙磨

這是國內常用的設備，是一種擺輪式研磨機，靠擺輪的重力膠離心力，對鋼圈所產生的擠壓和研磨作用達到粉碎物料的目的。攀鋼集團公司使用的是4R3216型雷蒙磨（4R：四輥；32：磨輥直徑32cm；16：磨輥高度16cm）。

雷蒙機的工作原理是：雷蒙主機內裝有磨環和磨輥，磨環固定在機座上，磨輥則自由懸掛在豎軸頂端的十字形懸輥架上，磨輥既能繞中間豎軸旋轉又能自轉。雷蒙機運轉時，磨輥在離心力作用下緊貼在磨環表面對加入物料產生擠壓和研磨作用而使其粉碎。未被粉碎的物料墜于機底，并被鏟刀鏟起重新將其拋擲于滾動很快的磨輥前的磨環面上，已被粉碎的物料由空氣流攜出。空氣流由機底上吹，使粉碎后物料通過分析器分級，細度合格的進入旋風分離器中，細度不合格的再返回雷蒙磨重新研磨。轉速越大，粒度越細；反之則粒度越粗。

粉碎細度可由調節吹入的空氣量的大小及分析器的轉速等控制。

3  酸解

A、酸解的基本原理

（1）酸解的化學反應

鈦鐵礦與硫酸的反應非常緩慢，在常溫下幾乎不發生變化。為了促進這個反應，往往需要加熱，引導反應的開始。如以偏鈦酸亞鐵FeTiO3代表鈦鐵礦的主要成份，則酸解反應一般認為按下列二方程進行：

FeTiO3+3H2SO4 Ti（SO4）2+FeSO4+3H2O

FeTiO3+2H2S04 TiOSO4+FeSO4+2H2O

我們也可以把TiO2視作是鈦鐵礦的一個單獨成份，則上面反應可寫作：

TiO2+2H2SO4  Ti（SO4）2+2H2O

Ti02+H2SO4  TiOSO4+H2O

鈦鐵礦中的鐵則按下列方程式進行反應：

FeO+H2S04  FeSO4+H2O

Fe2O3+3H2SO4  Fe2（SO4）3+3H2O

從這些反應式看，反應結果得到的是（正）硫酸鈦Ti（S04）2 硫酸氧鈦TiOSO4，硫酸亞鐵FeSO4和硫酸高鐵Fe2（SO4）3這四種物質。硫酸氧鈦的生成，也可以視為是硫酸鈦初步水解的產物。

Ti（SO4）2+H2 O  TiOSO4+H2SO4

酸解后生成的硫酸鈦Ti（SO4）2和硫酸氧鈦TiOSO4之間的比例由酸解條件而定。從方程式中可以看出，生成硫酸鈦每一份需要二份硫酸，而生成硫酸氧鈦每一份只需要一份硫酸。

（2）有效酸和酸比值

有效酸：在鈦溶液中，硫酸以三種不同的形式⑴與鈦結合的硫酸⑵與其他金屬（主要是鐵）結合的硫酸⑶游離酸--未被結合的過剩的硫酸。

我們無法單獨測定與鈦結合的酸或游離酸，只能測定二者的總和，我們把它稱為有效硫酸。

有效酸＝與鈦結合的酸＋游離酸

有效酸一般用酸堿滴定的方法來測定，目前仍作為評價酸解效果與質量的一個控制指標，與生產與科研單位廣泛應用。

酸比值：在控制有效酸這指標時，有這樣一個問題；就是同樣的鈦液，如果濃度稍有變化，（例如經過適當濃度或稀釋）。鈦液的性質沒有變化，而有效酸的數值卻發生變化。為了解決這個問題，我們采用酸比值這個指標。

酸比值又稱酸度系數，通便用符號F表示。所謂酸比值是指鈦液中有效酸與總鈦含量之比值。

因為這是一個比值，因此鈦液經過濃縮或稀釋后，Ｆ值是保持不變的，Ｆ值的高低，能顯示出鈦液中鈦的組成。

鈦液F值的高低，還能影響以后的水解產物的結構狀態，因此生產不同品種的鈦白，對鈦液的F值常常要嚴格控制。

B、固相法酸解

a.  操作步驟

（１）投料

酸解操作時，在強烈壓縮空氣攪拌下，先投入硫酸，然后再投入礦粉后，使礦粉與硫酸充分混合，最后加入稀釋水。

（２）加溫

用直接蒸汽加溫。當槽內反應物溫度升至80-100℃時應立即停止蒸汽，劇烈反應也就開始。

（３）主反應

由于反應是放熱反應，反應物溫度急劇自動上升，在數分鐘內達到最高溫度約200℃。在這階段內，反應非常猛烈，槽身有可察覺的震動，同時排出大量的酸霧，反應物也經過稠粘階段而逐漸凝成多孔的海綿固體。

（４）成熟

主要反應結束，反應物的溫度逐漸下降。在這冷卻的同時，尚繼續發生酸解反應，使反應更加完全。

（５）浸取

成熟后的固相物溶于水，以得到硫酸鈦的溶液。

b. 酸解反應控制條件

（１）酸礦比

酸礦比是投料時硫酸與礦粉重量的比值。（硫酸濃度以100％計算）在選擇酸礦比時，主要應使礦粉得到最大程度的分解而又耗用最少量的酸。一般地說，酸礦比越高，過量的硫酸便越多，反應便越完全，酸解率也越高，根據固相法的特點，一般控制酸礦比為1.54～1.65。

一般認為酸礦比是決定酸解反應的一個工藝指標。酸礦比對鈦液的F值影響尤為顯著。但是為了節約硫酸，F值可以在浸取時加入廢酸進行調節。

酸礦比如果過高，對提高酸解率的作用便不明顯。相反卻要多消耗硫酸。與液相法相比，固相法所用的硫酸濃，反應溫度高，因此耗用酸便可以少。

（２）硫酸反應濃度

硫酸反應濃度是指鈦鐵礦酸解反應時必須控制的硫酸濃度。

原則上講，硫酸反應濃度越高，則反應完全。但實踐表明，當硫酸反應濃度過高時，容易發生反應后固相物的早期水解。其原因可以認為是由于硫酸濃度越高，則反應溫度也越高，使反應初期的生成物在反應結束時已發生水解。

實際控制的硫酸反應濃度，應依據設備的容量，投料量等不同條件而變化，一般控制在84-88％。

（３）加溫溫度

礦粉與硫酸反應，需要在一定溫度時才能開始。但反應本身能放出大量的熱，因此大部分熱量是依靠自發的。

TiO2+H2SO4   TiOSO4+H2O+5.84千卡

FeO+H2SO4  FeSO4+H2O+29千卡

Fe2O3+3H2SO4  Fe2（SO4）3+3H2O+33.8千卡

一般來說溫度越高反應越劇烈，也越完全。酸解反應是個放熱反應，當反應開始時便放出大量的熱，使反應物的溫度迅速上升。因此短時間內即變成劇烈反應，反應物的溫度可達到200℃以上。一般情況下，開始時物料需要適當加溫以引發反應，但當反應開始后應立即停止加溫，以免反應過分猛烈而發生冒鍋或早期水解。

加溫溫度一般控制為80-100℃，也要根據設備大小而定。

一般中小設備控制為60-80℃，一般大設備控制為100-120℃。

加溫溫度過低，例如小于60℃，則引發主反應的時間長，反應不劇烈，容易生成難溶性的固相物，酸解率低。加溫溫度過高，例如大于130℃，則主反應來得太早，反應溫度猛烈上升，不僅容易致使冒鍋事故的發生，而且還會使酸解率降低，生成固相物難浸取。

如果使用高濃度硫酸，例如大于96％，當加入稀釋水后的發熱量已足夠引發反應時，便可不必再另行加溫。這種情況稱為自然反應。在炎熱季節，室溫較高，即使采用93％的硫酸，也可考慮不再加溫，由物料自然反應。

（４）成熟時間

成熟的目的是在主反應結束后，讓固相物逐漸冷卻。另讓一部分未酸解的礦粉繼續與存在的游離酸作用，以利提高酸解率。

成熟過程是提高酸解率的重要措施。成熟時間長，固相物溫度低，浸取速度便慢，但酸解率高。成熟時間短，固相物溫度較高。浸取速度較快；但酸解率低。一般控制在1-3小時。要視設備大小和室溫高低而定。

c. 固相物的浸取

成熟后的固相物，加入水或稀鈦液，在壓縮空氣攪拌下，使多孔狀固相物溶解，得到硫酸鈦溶液。在加入水起初時溫度有上升現象，但隨即冷卻下降。溶液的最終濃度一般應含TiO2 11O-130克/升。此時溶液比重約為1.52-1.53。

為了調節浸出液的F值，并節約濃硫酸，浸取時常常需添加廢硫酸。這時廢硫酸必須準確測定。加入量也必須嚴格控制。

根據酸解固相物的性質不同，浸取時間一般為5-12小時。

d. 還原

鐵在礦粉中以二價與三價兩種不同狀態存在，因此在浸取后的溶液中既硫酸亞鐵FeSO4，又有硫酸高鐵Fe2（SO4）3，這兩種鐵鹽在一定條件下會發生水解而變成沉淀：

FeSO4+2H2O-→Fe（OH）2↓+H2SO4

Fe（SO4）3+6H2O-→2Fe（OH）3↓+3H2SO4

上述兩水解反應只有在達到一定的pH值時才會發生。硫酸亞鐵在酸性溶液中是穩定的，只有在pH值大于5時才開始水解，因此在鈦液水解過程中它始終保持溶解狀態，而在偏鈦酸洗滌時得以除去。而硫酸高鐵在溶液中的危害性比較大。因為它在pH值為2.5的酸性溶液中，即開始水解，生成氫氧化鐵沉淀。在偏鈦酸洗滌時，它會變成沉淀而混雜于其中，煅燒時變成紅棕色的三氧化二鐵而污染成品。為了防止這種現象的發生在鈦液中不允許有高鐵存在，應該把高鐵還原成亞鐵。

還原的方法很多，工業上應用的有化學還原和電解還原兩種。

化學還原是加入一種還原劑，如鐵屑、鋁、鋅等。其反應如下：

Fe2（SO4）3+Fe-→3FeSO4

或 2Fe3++Fe0-→3Fe2+

電解還原在陰極發生，其反應如下：

Fe2（SO4）3+H2O+2C-→2FeSO4+H2SO4+1/2 O2

或 Fe3++e-→Fe2+

為了保證溶液中三價鐵Fe3+全部還原為二價鐵Fe2+，還原反應該略微過度，此時溶液中就有少部分四價Ti4+被還原為三價鈦Ti3+。

2TiOSO4+Fe+2H2SO4-→Ti2（SO4）3+FeSO4+2H2O

2Ti（SO4）2+Fe-→Ti2（SO4）3+FeSO4

或 2Ti+4+Fe0-→2Ti3++Fe2+

在電解還原中鈦的還原如下進行：

2Ti（SO4）2+H2O+2e-→Ti2（SO4）3+H2SO4+1/2 O2

三價鈦的存在，可以保證三價鐵還原完全。是因為氧化還原反應有先后次序，三價鐵先還原為二價鐵，然后再是四價鈦，還原為三價鈦。但在生產過程是要經常遇到氧化條件，例如與空氣接觸或以壓縮空氣攪拌，因此還原要過量一些，保持有一定數量的三價鈦。這是因為，三價鈦的還原性比較強，它比亞鐵先氧化，這樣保證了二價鐵不被氧化。但是過多的三價鈦存在是不利的。因為在止正常水解情況下，三價鈦不會水解沉淀而留在溶液中，成為生產中的損失，直接影響水解率。一般操作中，還原溶液中應保持三價鈦含量為2.5-4克/升（以TiO2折算）。三價鈦控制高低要視品種的不同和氣溫的高低而定。

e. 酸解率

酸解率亦稱為分解率，是衡量酸解反應的質量和收率的一個綜合控制指標。它是以重量百分比來核算的。其值為溶液中的可溶性鈦鹽總量（以TiO2計）占所投投鈦鐵礦中所含鈦總量（以TiO2計）之百分比。

酸解率％

鑒于鈦鐵礦中總有一部分不能被熱濃硫酸分解的礦物（如金紅石與脈石），同時又受工業現行酸解手段的限制，酸解率不能達到百分之百。一般可達到90-97％。

4  鈦液的凈化

鈦液凈化的好壞直接影響到工藝控制和產品性能，諸如水合二氧化鈦洗滌的難易程度，產品的化學純度、硬度等。

鈦鐵礦用硫酸酸解制備的鈦液是一個較復雜的體系，其中有三類雜質：一類是可溶性的鹽類（鐵、釩、鉻、錳、鈮、錫、銅、鎂、鈉、鉀、稀土等元素的硫酸鹽及磷酸鹽）；另一類是顆粒在10μ以上的由未分解的鈦鐵礦、金紅石、脈石、泥漿及碳、鉛、鈣等的化合物組成的不溶性懸浮殘渣；第三類是粒度為0.1-10μm的水合二氧化硅、水合氧化鋁及早期水解產生的水合二氧鈦等具有較高動力學穩定性的膠體。

A、沉  降

沉降是借助于重力作用，除去鈦液中的不溶性雜質和膠體顆粒，將鈦液初步凈化。通過沉降除去雜質，可提高副產品硫酸亞鐵的質量并加快它的過濾速度。同時膠體微粒如不除去，在以后水解時便成為一種無一定組成和數量的晶核，會影響水解過程和水解產物的結構。

沉降的原理：

沉降是適用于從粗分散體系懸浮液中分離出固體顆粒的方法，它是利用重力作用使體系中的懸浮固體顆粒沉降下來。對于鈦液中屬粗分散體系的懸浮殘渣，可通過沉降而分離出來。然而對于粒徑為1-10μm的細不溶雜質和屬細分散體系的膠體顆粒，則由于布朗運動，重力不能使之沉降。前者由于鈦液粘度很大，使顆粒懸浮在體系中相對穩定。后者由于膠粒在鈦液中吸附H+而帶有相同的正電荷，因而具有靜電排斥力，并在膠體周圍形成了溶劑化的雙電層，十分穩定，不能相互凝聚。

鈦液中的膠體是在強酸性高離子濃度的溶液中形成的含量約占不溶性雜質總量（一般為15-23克／升）的20-30％。要想破壞這些膠體的穩定性，采用加入電解質的方法是不現實的。但可加入帶相反電荷--負電荷的溶膠以產生共沉淀。由于電性中和，使顆粒的電動電位ξ達到臨界值─等電狀態而完全失去靜電排斥力，就會在布朗運動相互碰撞時，合并成較大的粒子，在重力的作用下沉降。同樣也可利用某些高分子極性基團的親合力而產生的特性吸附和橋聯作用，使懸浮顆粒借助于絮凝劑分子的作用而相互聯接長大，網絡成大的聚集體而迅速沉降。

沉降設備的生產能力與它的高度無關，僅與水平截面積和顆粒的沉降速度有關，而沉降速度又僅與微粒的大小、重量以及介質的重度與粘度有關。所以沉降一般均采用大型、大截面積的、有防腐襯里的設備。沉降過程應注重沉降劑的選擇與用量、鈦液的濃度和溫度，以求得最佳沉降效果。

B、結晶

結晶的工藝原理：

在經沉降所得到的熱鈦液中，各種硫酸鹽和磷酸鹽的溶解度是不同的而且與溫度有關。這些溶解度可由實驗測定。如FeSO4濃度為120克／升、有效硫酸濃度為240克／升時，FeSO4的溶解度與溫度的關系見表6-1：

表6-1  FeS04在不同溫度時的溶解度（Ti02=120g/l,有效酸=240g/l）

溫度，℃3020151050-2-6

FeSO4，g/l24019013011795795938

在上述條件下，硫酸亞鐵已達飽和，如果降低溫度，便會有結晶析出。利用溶解度的這種差異，依據結晶原理，降低溫度，以降低FeSO4的溶解度，當此溶解度低于溶液中的實際濃度時，便成為過飽和，其超過部分便會從鈦液中結晶析出，從而達到除去大量硫酸亞鐵的目的。

結晶的一般方法：

結晶的方法，除了按照投料方式，分為間歇式和連續式兩種外，按照使溶液達到過飽和所采用的方法不同，分為蒸發結晶、機械冷卻結晶和真空結晶三種方式。蒸發結晶是在等溫下進行的，就是使溶液不斷蒸發，使溶液不斷濃縮最后達到飽和而析出晶體，這個方法適用于某些在不同溫度時溶解度變化很小的鹽類如食鹽，不適用于綠礬的結晶。綠礬結晶的常用方法有以下兩種：

（1） 機械冷卻結晶

這種結晶方法，是通過熱交換來使溶液降低溫度，最后達到過飽和而析出晶體，常用的有如下兩種方法：     自然結晶：依鈦液溫度與室溫的差別由其自然冷卻，或用自來水通入熱交換器中，使鈦液緩慢冷卻到室溫，可得到大塊晶體。結晶后在鈦液中仍含有40-60g／l（以Fe2+計）的硫酸亞鐵。

機械冷凍結晶：通常是利用冷凍機產生的冷凍劑，通過熱交換器（冷凍盤管）與鈦液進行熱交換，來使鈦液迅速冷卻。因此在這種結晶器內部裝有盤管，管內用低溫的冷凍液進行循環，器內配有攪拌機，使鈦液冷凍均勻。得到的是細粒的晶體。冷凍液一般是由氨壓縮機制冷得到的低溫的氯化鈣或氯化鈉溶液。

在工業生產時需要控制的條件主要是冷凍終了溫度。這種由對鈦液的鐵鈦比值指標要求而定。生產涂料鈦白時，一般要求Fe/TiO2=0.20-0.25，其冷凍終了溫度一般控制6-10℃。對某些品種的鈦白生產，例如搪瓷或電焊條鈦白，對鐵鈦比無嚴格要求，而在冷凍過程中鈦液溫度越低，則冷凍速度越慢，為了提高效率并節約能耗，其終了溫度可適當控制高些，例如10～14℃。

結晶時的攪拌速度，對晶體的顆粒大小有關。攪拌轉速快，則晶體顆粒細，太細時晶體過濾速度會變慢；而攪拌轉速太慢則晶體可能沉降下來，堵塞放料口，具體轉速還應由攪拌器的式樣來定。一般門框式攪拌機，其轉速以每分鐘50～70轉為宜。

（2）真空結晶

真空結晶的過程也是使鈦液冷卻至硫酸亞鐵達到飽和和而析出晶體。但它沒有熱交換過程。鈦液的熱量是由一小部份溶液的蒸發吸熱而得以除去的。這是因為在減壓（真空）下，鈦液的沸點下降而形成局部沸騰，使溶劑蒸發，由于氣化潛熱，它需要吸收大量熱量，鈦液本身降溫。與機械冷凍結晶相比，此法有很大的優越性，從發展目光來看，它終將代替機械冷凍結晶。

C、硫酸亞鐵的分離

硫酸亞鐵又稱綠礬，由于Fe2+的離子半徑很小，又有不對稱的d電子，所以經過結晶得到的是含７個結晶水分子的呈淡青色的水合晶體FeSO4·7H2O，在結晶時會吸去鈦液中的部分水分。通常用水洗回收晶粒表面吸附的鈦液，并提高硫酸亞鐵的品質。硫酸亞鐵在水中的溶解度比在硫酸和鈦液中都大。為防止硫酸亞鐵的復溶引起鐵鈦比的相應升高，一般總是先用少量的稀鈦液然后用冰水洗滌。如果水溫高，并用大量水洗滌，不僅加速了硫酸亞鐵的復溶，而且由于鈦液濃度的降低而改變鈦液的組成，使穩定性下降，引起鈦液品質的惡化。

硫酸亞鐵與鈦液的分離可用真空法和離心法來實現。使用真空抽濾器、真空園盤過濾機、臥式離心機、立式錐籃離心機、程序控制的ＳＸ型離心機等。離心機自動化程度高，可連續操作，鈦液損耗低，顯然優于真空法。

由鈦液分離出來的硫酸亞鐵是不純凈的，其含量應不低于90％。TiO2含量不高于0.15％，鈦液的TiO2含量應相應提高到140～175克／升。

使用ＳＸ型離心機時，應先檢查有無異物、制動裝置是否良好，預先調整好油泵壓力和時間繼電器，然后開動主機自動控制，檢查自動控制運轉情況，正常后加料運行，并根據硫酸亞鐵的質量和鈦液濃度等的變化及時調整加料、脫液、洗滌的時間，開啟鈦液和硫酸亞鐵輸送機械。

硫酸亞鐵分離后，鈦液由于粘度下降而引起比重下降，澄清度也由于溫度下降、一些膠體（如Sb2S3等）的絮凝析出而變壞，仍需進一步凈化。

綠礬能溶于水和甘油而幾乎不溶于乙醇，比重1.895～1.898/14.8℃，屬單斜晶系，熔點64℃，沸點300℃，在干燥空氣中，風化成FeSO4.H2O白色粉末，氧化后變為呈黃色的堿式鹽。

D、鈦液的過濾

鈦液過濾的目的：

經沉降和除去綠礬的鈦液仍含有膠體和細小的機械雜質，它們的表面積可吸附重金屬離子，如不除去，則在水解時會成為不良的結晶中心，使水解產物粒子長大，影響水合二氧化鈦粒子的大小和形狀，使最終成品的品質，特別是外觀白度顯著變壞。鈦液過濾的目的，就是除去這些雜質，使鈦液進一步凈化。

鈦液過濾工藝操作：

先將助濾劑用水調和，攪拌均勻，用泵打入上好濾布的過濾設備，進行循環過濾，在真空或壓力的作用下，先使過濾介質上面形成一層均勻的助濾層，至循環液澄清為止。然后進行循環過濾鈦液，至濾出液澄清度符合要求后，停止循環，進行正常過濾作業，得到澄清的鈦液。助濾劑用量：150目硅藻土每平方米過濾面積加0.5公斤，用管濾機助濾層鋪設厚度為1毫米；150目木炭粉（篩余2％），每平方米1.0公斤，壓濾機助濾層鋪設厚度1-3毫米；稻殼灰為每平方米過濾面積加2.5公斤。

過濾介質用濾布以耐酸的長纖維240＃、621＃或901＃滌淪布為好；管濾機以陶瓷、特種金屬微孔管為好。

以壓力為推動力的過濾設備，預涂助濾層和進行物料過濾時應杜絕壓力波動及間斷過濾，這樣容易破壞助濾層，影響凈化效果。

過濾介質可再生。濾布（滌淪）用稀堿浸泡，陶瓷管則先用2％硫酸洗滌，再用稀氫氟酸溶液清洗。

5 鈦液的濃縮

為了制得具有優越顏料性能的鈦白粉，要求水解得到的偏鈦酸的顆粒細而均勻，這樣對水解所用的鈦液的濃度有一定的要求，用經過結晶過濾的鈦液來制作是不能勝任的，因為鈦液濃度低，則水解得到的偏鈦酸的顆粒便會變粗。實踐證明，只有鈦液的TiO2含量在200g/l以上時，才能制造出具有優越顏料性能的鈦白。為此，必須先要將鈦液進行濃縮，使其濃度達到涂料鈦白生產的要求。

濃縮的基本原理：

借加熱的作用使溶液中一部分溶劑氣化而獲得濃縮的過程稱為蒸發。

蒸發的目的是為了使溶液中的溶劑氣化，因此溶劑應具有揮發性，而溶質則不應具有揮發性。對于鈦液來說，水是溶劑，是可以揮發的，硫酸氧鈦、硫酸亞鐵和游離硫酸等是不可揮發的。按照分子運動學說，當溶液受熱時，靠近加熱面的溶劑分子便獲得能量，當這種動能大于分子間的吸引力時，這些分子便逸出液面跑向空間變為自由分子，這就叫氣化。這時氣化生成的氣體（蒸汽）如在空間或容器中不予除去，則蒸汽與溶液將漸漸處于平衡狀態，這樣氣化就不能繼續進行。因此進行蒸發的必要條件是熱源要不斷排除。在工業生產中，蒸發所生成的蒸汽又稱為二次蒸汽，這是為了和作為熱源的蒸汽有所區別，蒸發生成的蒸汽的排除可以采用冷凝法，有間接冷凝法和直接冷凝法兩種。間接冷凝在間壁冷凝器中進行，蒸汽在間壁的一面被冷凝，而冷凝劑則在間壁的另一面流動，熱的傳遞是通過金屬管壁來進行。而直接冷凝法的特點是冷卻劑（如冷水）與蒸汽直接接觸，故又稱混合冷凝。熱的傳遞是通過冷卻劑與蒸汽直接接觸來進行，因此傳熱效率和速率比間接冷凝法高，但得到的冷凝液全部與冷卻水混合流出，故只能用于無甚價值的蒸汽的冷凝。在鈦白生產中，由于鈦液蒸發的溶劑是水，所以一般都采用直接冷凝法。

眾所周知，溶液在常溫下的氣化是很緩慢的，如果提高溫度至沸點，此時氣化速度最高，因此生產中的蒸發一般都是沸騰狀態下進行。通常情況下鈦液的沸點為104-114℃（1atm，TiO2：130-230g/l），在此溫度下長時間加熱蒸發，鈦液的穩定性會迅速下降，最終導致早期水解（鈦液水解的臨界溫度為80℃），這對于制造優質的顏料鈦白是很不適宜的。

我們知道，液體的沸點是與壓力成正比的，為了降低溶液的沸點提高蒸發的效率，濃縮蒸發常常是在減壓下進行的，稱為真空濃縮。真空度越高，溶液的沸點越低。為此，鈦液的濃縮采取真空濃縮，以降低鈦液的沸點來防止發生早期水解。為了滿足鈦液指標、保證鈦液質量，應控制濃縮溫度不超過75℃，這樣真空度便不能低于0.073MPa。

目前，國內鈦白生產中鈦液濃縮常用的方法有間歇式單效真空濃縮和連續式薄膜真空濃縮二種。以前者為例進行說明。

A、設備

濃縮罐：一般多是為鋼制搪瓷反應鍋或鋼罐內襯耐酸陶瓷板、搪鉛等以防腐，利用蛇管或夾套進行蒸汽加熱，罐頂有汽液分離裝置及進料閥，底部有放料閥，為了便于操作和控制，罐上還設有液位計、溫度計和真空表。

混合冷凝器：又稱為立式逆流空位冷凝器，采用鋼制或塑料制，內有幾層篩板，增加汽液接觸面。

B、工藝流程

濃縮罐中鈦液被間接蒸汽加熱后在真空下達到沸點，鈦液中的水分開始氣化，從真空濃縮罐頂部排出進入冷凝器逆流而上，冷卻水從冷凝器頂部噴淋而下，與蒸汽充分接觸，冷凝后從氣壓管排到水封池流出系統外，經過冷凝器而未被冷凝的氣體（空氣或其它不冷凝性氣體）從冷凝器頂部排出，經氣液分離裝置到真空緩沖罐，再經真空泵排入大氣。

從冷凝器排出的水，經氣壓管流入水封池。整個濃縮系統是在負壓下操作的，而水封池是開啟式的（常壓），為了使冷卻水和冷凝水能從氣壓管底部自動排出，氣壓管必須有足夠的高度，以便在管中保持一定的液柱，此液柱所產生的壓頭必須有足夠的高度，以便在管中保持一定的液柱，此液柱所產生的壓頭必須大于外面大氣壓強與冷凝器中壓強（冷凝器中的真空度）之差，故此冷凝器的位置必須在水封池的液面上離開至少十米的位置。

6  鈦液的水解

鈦液的水解是二氧化鈦組分從液相（鈦液）重新轉變為固相（偏鈦酸）的過程，從而與母液中的可溶性雜質分離以提取純二氧化鈦。

水解工序是硫酸法生產中及其重要的工序之一。水解作用的優劣不但影響工業生產的經濟性，而且對最終產品的質量有極大的關系，水解時造成的差錯往往在后工序是不能挽救的。工業上對水解有如下要求：第一，水解率要高，即液相中的二氧化鈦組分轉變為固相的百分率要高，在不影響成品質量和性能的條件下水解率越高越經濟；第二，水解產物必須是具有一定大小而均勻的粒子，組成要恒定，同時易于過濾與洗滌；第三，工藝條件要成熟易于控制；水解產物的質量要穩定，設備要簡單，能適應工業生產的需要。

A、水解工藝基本原理

a. 鹽類的水解

由弱酸或弱堿生成的鹽，溶于水時，會發生水解反應，而使溶液呈堿性或酸性。例如弱酸鹽醋酸鈉，水解后生成微弱電離的HAC分子而釋出OH-離子，使溶液呈堿性。

NaAC+H2O=HAC+Na++OH-

弱堿鹽氯化銨，水解后則生成微弱電離的NH4OH分子而釋出H+離子，使溶液呈酸性。

NH4Cl+H2O=NH4OH+Cl-+H+

反應進行到各有關濃度之比等于其水解常數值，反應便達到平衡。

如果水解的生成物是難溶物質或氣體，就破壞了反應平衡，使反應繼續進行，甚至可達到完全水解的程度。例如：混合氯化鋁溶液和碳酸鈉溶液時，溶液中便發生相當于碳酸鋁完全水解的反應。

2AlCl3+3Na2CO3 = 6NaCl+Al2（CO3）3

Al2（CO3）3+3H2O 2Al（OH）3+3CO2↑

影響鹽類水解度的因素，有溶液的溫度、所含鹽的濃度和溶液的pH值。因為水解反應是吸熱反應，所以提高反應溫度促使平衡向水解方向移動，增加水解的程度。降低溶液中所含鹽的濃度有利于鹽的電離，也能使水解程度提高。但對水解率影響最大的是pH值，因為在鹽類達到水解平衡之后，加入H+或OH-便能破壞平衡使反應向順或逆向移動。如對弱酸強堿的鹽，若提高溶液的酸度能抑止鹽的水解使水解平衡向逆方向移動。所以對于鐵（Fe3+,Fe2+），鋁（Al3+），錳（Mn2+），銅（Cu2+），鎳（Ni2+），釩（VO2+），鉛（Pb2+）等金屬的硫酸鹽或鹽酸鹽，它們在酸度較高的溶液中一般不會水解，生成相應的氫氧化物沉淀。

在硫酸法鈦白生產過程中，由于鈦液的酸度很高，所以在熱水解過程中它所含的雜質金屬離子受到酸度的抑制而不會水解。

b. 鈦液的水解反應

鈦液的水解與一般鹽類的水解有所不同，它沒有一個固定的pH值，只要在加熱或者稀釋的條件下它即能水解而析出氫氧化鈦的水合物沉淀。甚至在酸度極高（如含H2SO4 400～500g／l）時，經長時期的煮沸也會析出沉淀。因此在水解前的各工序中，鈦液的溫度應控制在70℃以下，同時也應避免過分稀釋以免發生早期水解的危險。

在常溫下用水稀釋鈦液時，析出的是膠體氫氧化鈦沉淀。這種水合物即使在常溫下也很易溶于有機酸、稀的無機酸、堿以及鈦鹽溶液中，這樣的溶液具有明顯的膠體特征。這種水合物的組成接近于二氧化鈦二水合物TiO2·2H2O或者Ti（OH）4。

TiOSO4+3H2O Ti（OH）4↓+H2SO4

當水合物陳化時，例如經過加熱則失去膠體特征和易于膠溶的能力，也喪失了易溶于有機酸、弱酸、堿和鈦鹽溶液的能力。此時，其組成也發生變化，接近于一水合物--TiO2·H2O或者TiO（OH）2。

由于鈦的氫氧化物具有兩性的特征，且偏酸性，故可把它們看成是鈦酸，Ti（OH）4就是正鈦酸或α鈦酸H4TiO4；TiO（OH）2就是偏鈦酸或β鈦酸H2TiO3。經x射線分析表明，正鈦酸是無定型化合物，而偏鈦酸具有不太明顯的晶體結構，它與銳鈦型二氧化鈦的晶體結構完全相同。據此可以認為鈦酸實質上是高分散和活性狀態的二氧化鈦，它牢固地吸附著一定數量的水。

如果將鈦液加熱使其維持沸騰也會發生水解反應，生成白色偏鈦酸沉淀。這是硫酸法鈦白生產，在工業上制取偏鈦酸的唯一方法。

TiOSO4+2H2O H2TiO3↓+H2SO4

水解生成的偏鈦酸具有無定型結構或者不明顯的銳鈦型微晶體結構，其直徑為3～10微米，它們按一定的方向（20～30）配位成為膠粒。膠粒在硫酸鹽離子的作用下加速凝聚，構成凝聚體（偏鈦酸）而沉析出來。它決定著二氧化鈦粒子的大小。凝聚體的大小為0.4～2.0微米（基本上為0.55～0.75微米），它的比表面積約為60～70m2/克。由于比表面積很大，所以能夠吸附相當數量的水和硫酸根離子。每克分子偏鈦酸約吸附0.1克分子SO42-，所以H2TiO3的組成近乎是10 H2TiO3SO3。也有些報道認為凝聚體的大小僅0.6～0.7微米，這些顆粒是由大約1000個60～75毫微米的小微粒膠凝而成，每個微粒約含有20個20A°的微晶體，這是加到溶液中去的晶種。

水解過程中，不僅發生粒子凝聚成為偏鈦酸沉淀而析出，而且以前析出的沉淀會重新溶解，然后又以組成改變了的固相形態析出。偏鈦酸的具體結構比較復雜，而且因水解條件的不同而各有所異。我們可以TiO2·xSO3·yH2O來表示，式中x和y都是不固定的。因此工業上的水解產物的正確名稱應是水合二氧化鈦而不是偏鈦酸，但為簡便通俗，以后仍稱偏鈦酸。

水解在三氧化鈦生產中極為重要，水解的條件決定著微晶體、膠粒和粒子的大小，歸根到底也就是決定著最終產品的質量。

以上就是通常所說的鈦液的熱水解過程。此反應是在較高的酸度下進行的，并且隨著反應的進行，偏鈦酸的析出，使結合著的酸游離出來，增加了游離酸的濃度。由于其他金屬鹽類只能在很低的酸度下才能發生水解而殘留在母液中（俗稱廢酸），因而析出的偏鈦酸應是“純凈”的。然而，在實際生產時，偏鈦酸總會含有雜質，這是由于它具有很大的比表面積而吸附雜質，而且它是膠粒的凝聚體，在凝析聚沉時會夾著雜質共同沉析。

B、鈦液熱水解過程的步驟

根據研究結果表明，水解過程大致可以分為以下三個階段。

a. 第一階段----晶核的形成

水解的第一步，是從完全澄清的溶液中析出第一批極為微小的結晶中心，稱為晶核。不同的水解條件，得到的是不同數量和具有不同組成的晶核。晶核的數量與組成決定了水解沉淀物的組成，也決定了最后成品的性質。因此水解是二氧化鈦生產中最主要的一環，而形成結晶中心是水解過程中最重要的一環。

在實際生產中，生成晶核有二種方法，一種是在原來溶液中培養晶核，即所謂自生晶種；另一種是另外制造晶核，而后把它引人澄清的溶液中去，即所謂外加晶種。

b. 第二階段----晶核的成長與沉淀的形成

當晶核形成后，如果使水解作用繼續進行，則根據結晶原理，在晶核表面便發生鈦的固析。這就促使晶核逐漸累積長大，當達到相當大小時便成為沉淀而沉析出來。

c. 第三階段----熟化

沉淀物的組成以及溶液組成，隨著水解作用的進展而改變當沉淀物開始析出后，水解作用仍以較大的速度在進行，晶體繼續成長。在這階段里，溶液的成分隨著沉淀而不斷變化。TiO2的含量逐漸降低，而游離酸濃度不斷提高。這個變化直接影響了沉淀物的組成，能使沉淀的粒子局部溶解，而后又重新析出新組成的沉淀，也可能是固體沉淀物的直接轉化。這個過程不斷繼續直到水解完全，溶液中只剩下極少數的鈦及較濃的硫酸，此時沉淀物的組成才最后固定下來。

鈦液中三價鈦離子的水解pH值接近于３，并且不具有膠體特征，所以在熱水解過程中它不發生水解反應，不產生沉淀。在熱水解結束后仍留在母液中。但由于攪拌及沸騰的影響，會有部分被空氣氧化而成為硫酸氧鈦。

2Ti2（SO4）3+O2+2H2O=4TiOSO4+2H2SO4

水解后母液中應保持Ti+3含量在0.5克/升左右。

C、水解的方法和操作

在工業生產上有三種水解方法：外加晶種加壓法水解；外加晶種常壓法水解；自生晶種稀釋法水解。這里主要介紹第三種方法的水解操作。

自生晶種加壓法水解的操作過程如下：首先在水解鍋里注入一定量的沸水然后在攪拌下預熱至90-98℃含二氧化鈦250克/升左右的濃鈦液于16-18分鐘內加入水解罐中，控制鈦液與沸水的體積比為4:1。用直接蒸汽加熱到沸騰進行水解。開始時鈦液由于稀釋生成沉淀，但在繼續注入濃鈦液時由于酸度提高而重新溶解，形成具有一定性質的晶核，這個過程大約在一分鐘之內就能完成，加完鈦液后，在一定的時間內將鈦液升溫至沸騰，使之水解。當溶液達到一定的比色標準后，即表示水解的誘導期結束，此時水解反應迅速進行，為得到良好的偏鈦酸粒度，這時最好停一段時間攪拌和蒸汽加熱。在停攪拌和蒸汽的過程中，水解反應迅速進行，溶液由蘭灰色變為黃褐色，然后再開啟攪拌和蒸汽加熱，使溶液升溫至沸騰，沸騰一定的時間以后，再緩慢的加入一定量的稀釋水調節總鈦濃度為160-170克/升繼續水解，加完稀釋水還應保持漿料沸騰直到水解完全。在水解的過程中始終要保持漿料沸騰。在水解過程中攪拌速度控制在大約10轉/分。總水解時間為5.5hr左右。

自生晶種稀釋法水解流程簡單，不需另設制造晶種的設備，但在晶種制備過程中控制比較困難，晶種的好壞直接影響水解產品的好壞，最終決定成品的粒度及白度等重要指標，故水解操作時必須精細，各指標必須嚴格控制。

7 偏鈦酸的水洗

偏鈦酸水洗工藝流程：

水解產物在冷卻槽中經盤管冷卻至40℃左右，放入分離槽中，將葉濾機接通真空，并使整組葉片浸沒在漿液中，上片前先開動槽底攪拌機或壓縮空氣，使漿液攪拌均勻，避免出現濾餅上薄下厚的現象，由于真空的壓差濾液逐步滲過濾布，而水合二氧化鈦則沉積在葉片表面，槽內液位相應下降，需不斷補充漿液，保持液面高度。水合二氧化鈦沉積到一定厚度（一般為25-40mm）時，用電動吊車將整組葉片吊起，稍稍抽干后，放入一次水洗槽內水洗，此時水合二氧化鈦已與一半以上母液分離。母液經抽吸液罐，自動排出，由泵送到沉降槽，回收稀酸中少量穿過濾層的懸浮水合二氧化鈦。

葉片首先在一次水洗槽內洗滌1-2小時，此時抽出的濾液仍含有一定量母液，仍需送到沉降槽回收。經過頭洗的葉片吊入二次水洗槽進行水洗，根據不同品種估計水洗大約時間。例如涂料品種約洗10小時后，從抽水總管中用局部排除真空之法取出少量濾液，用1％赤血鹽（鐵氰化鉀）溶液定性檢測，如呈綠色，表示即將洗凈；如呈現黃色，表示已經洗凈。也可以用硫氰酸銨溶液檢定（此試劑只能檢定高鐵離子，因而濾液應先用雙氧水氧化，使亞鐵離子氧化成高鐵離子），如呈現棕黃色尚需繼續水洗；如呈無色，表示已經洗凈。可將整組葉片吊到打漿槽上部，準備刮料，此時水合二氧化鈦含水量尚高，相應的有極少部分母液殘留，可保持真空到表面出現大量裂縫為止，以進一步降低含水量，再切斷真空，打漿槽內事先放置部分清水，并開動攪拌機，將葉片表面物料刮落至打漿槽內，攪拌均勻，送至下一工序。

水洗正常操作時，真空葉濾機真空度應保持400-650毫米汞柱，上片時間〈1.5小時，水洗時間約8-16小時，濾餅含水量≤65％，含鐵量≤0.01％。

每組真空葉濾機的生產能力Ｃ（噸／小時）為：

Ｃ＝Ａ×Ｙ×δ×d／100×t

式中     Ｙ ───每組葉濾機葉片塊數，塊；

δ ───濾餅厚度，厘米；

d ───濾餅比重，噸／米3；

t ───水洗總時間，小時；

Ａ ───每片葉片的過濾面積，米2。

濾餅含水量計算，取一定量濾餅在400℃烘干2小時，按下式計算含水量i為

i＝（Ｗ前－Ｗ后）／Ｗ前×100％

式中     Ｗ前 ───樣品烘干前重量，克；

Ｗ后 ───樣品烘干后重量，克。

水洗操作的操作條件：

（1）漿液溫度      30-40℃

（2）真空度        67千帕（500毫米汞柱）以上

（3）濾餅厚度      25-40毫米

（4）偏鈦酸含鐵量  ≤0.01％

8  偏鈦酸的漂白及漂洗

偏鈦酸漂白的原理：

經水洗的偏鈦酸中的鐵雜質是以三價鐵離子水解生成的極為細小的固體氫氧化鐵的形式存在的。漂白就是先將固體氫氧化鐵轉化為可溶性的硫酸鹽，然后用化學活潑性強的金屬或金屬離子將其還原為低價的硫酸鹽，最終通過水洗進一步除去。發生的化學反應是氫氧化鐵大量轉化為硫酸鐵，硫酸高鐵在還原劑的作用下被還原成硫酸亞鐵。

2Fe（OH）3＋3H2SO4＝Fe2（SO4）3＋6H2O

Fe2（SO4）3＋Zn＝ZnSO4

Fe3+＋Ti3+＝Fe2+＋Ti4+

偏鈦酸漂白的方法：

偏鈦酸漂白的方法按漂白時使用的不同的還原劑可分為以下兩種：

（１）鋅漂

用鋅粉作還原劑的漂白方法叫鋅漂。還原反應如下：

2Fe3+＋Zn0＝2Fe2+＋Zn2+

（２）三價鈦漂

用三價鈦離子作還原劑的漂白方法叫三價鈦漂。還原反應如下：

Fe3+＋Ti3+＝Fe2+＋Ti4+

三價鈦漂白和鋅漂相比，前者具有硫酸用量少、還原劑用量少、操作溫度低、漂白時間短，無殘留物污染等優點，所以三價鈦漂白是目前最佳的漂白方法。

偏鈦酸漂洗：

偏鈦酸漂白后的漂洗與前章所述水洗過程相同，一般采用真空葉濾機或轉鼓真空過濾機。為了防止物料重新被污染，洗滌用水需經凈化處理，至少應經過砂濾以除去固體雜質，如能用電滲析水或去離子水，效果更好。由于物料本身含鐵量較低，水洗時間比第一次水洗短，一般不超過10小時。水洗后，物料含鐵量應低于0.003％（以TiO2計）。

鋅漂漂白容易使氧化鋅混入成品，氧化鋅是一種很強的金紅石型化促進劑，但也有副作用。某些不允許含氧化鋅的產品就不宜用鋅漂，另外，鋅漂過程為液固反應，還原劑滲入偏鈦酸顆粒內部需要較長時間，效果較差，故已逐步為三價鈦鹽漂白所代替。

9  偏鈦酸的鹽處理

偏鈦酸在煅燒前加入少量化學品添加劑進行改性處理的過程稱為鹽處理，亦稱前處理。

偏鈦酸如不經過鹽處理而直接煅燒，得到的產品顆粒往往很硬，色相及其他顏料性能差，漆用性能低劣。因此，在生產顏料鈦白時，都要根據不同品級的需要，在偏鈦酸中加入少量添加化學品進行改性，然后再在適當的溫度下煅燒，使產品具有良好的色相、光澤，較高的消色力、遮蓋力，較低的吸油量和合適的晶粒大小，形狀以及在漆料介質中的易分散性。某些非顏料型產品中有時也需要加入某些化學品，使產品具有各種特殊性能。

A、 銳鈦型顏料鈦白的鹽處理

生產銳鈦型顏料鈦白粉的鹽處理時，常使用的添加劑有鉀鹽和磷酸（或磷酸鹽）。加入添加劑的作用主要有兩點：一、是使產品具有優良的顏料性能；二、使銳鈦晶型起穩定作用，抑制形成金紅石晶型，防止產品中混有金紅石晶型。但是添加劑加入量過多會使鈦白粉的水溶性鹽含量明顯增加和水選時水分散性下降，只有嚴格控制加量，才能既發揮添加劑本身的作用，又不影響鈦白粉的其他性能。

鉀鹽：在銳鈦型顏料鈦白粉的鹽處理時，加入碳酸鉀或硫酸鉀等鉀鹽，其作用是：一、可以使偏鈦酸在較低溫度下脫硫，從而降低煅燒溫度，使物料在較低溫度下達到中性，避免高溫燒結而引起產品的變黃或變灰或出現色變現象，造成產品漆用性能低劣，分散性能極差。添加了鉀鹽，即使在較高溫度下煅燒時，也不失去鈦白粉的優良的顏料性能，因為在較高溫度煅燒時，二氧化鈦顆粒比較致密，有利于提高耐候性和降低吸油量；二、能促進銳鈦型二氧化鈦微晶體的成長，三、可以改善顏料性能，使鈦白粉顆粒松軟、色澤潔白，消色力提高。鉀鹽的添加量一般為TiO2的0.4％-2.0％，相當于0.25％-1.4％的K2O。

磷酸鹽：偏鈦酸經過水洗（或再經漂白）后，仍含有痕量的雜質元素鐵。在生產銳鈦型顏料鈦白粉時，如果不加處理就直接送去煅燒，則在煅燒過程中，鐵元素將生成紅棕色的氧化鐵，這樣會大大地降低鈦白粉的白度。而加入了磷酸或磷酸鹽，可使鐵在高溫下轉變成穩定的淡黃色的磷酸鐵，比紅棕色的氧化鐵對鈦白粉的色澤影響小得多，而磷酸鐵在煅燒的溫度下也不會分解，從而能隱蔽雜質元素鐵的顯色，提高鈦白粉的白度和柔軟性。同時可以提高鈦白粉的耐候性。其反應的化學方程式如下：

Fe（OH）3+H3PO4=FePO4+3H2O

所加的磷酸有一部分先與偏鈦酸漿料中的可溶性鈦，稀土等作用，生成不溶性的磷酸鹽，然后剩下磷酸才與鐵作用。真正與鐵作用的磷酸并不多，但是必須保證有足夠的磷酸與鐵作用，否則就會影響產品的白度，而過多的磷酸也不好，因它會使產品的消色力下降，并且多加了酸，增加了脫硫的困難，使達到最大消色力的煅燒溫度移向較高的溫度處。溫度高了，又容易造成由于晶格脫氧而帶灰相。同時還要考慮到鈦鐵礦中含有一定量的磷，這些磷在生產中無法除去，會有一部分轉移到成品中，因此生產時要結合現實生產條件進行調整。一般添加量為TiO2的0.08％-0.3％（以P2O5）。

磷酸鹽還是鈦白粉向銳鈦型轉化的促進劑，又是銳鈦晶型轉變為金紅石晶型以及金紅石晶型粒成長的抑制劑，生產銳鈦型鈦白粉時，加入磷酸鹽是為了偏鈦酸向銳鈦晶型轉化，同時又防止金紅石型鈦白粉的生長；生產金紅石型鈦白粉時，能抑制金紅石型晶粒的長大。因此生產銳鈦型鈦白粉時，不要把磷看成雜質，而在生產金紅石型鈦白粉時，要求磷含量不能過高，P2O5含量要小于0.1％，即使在確定配方時也要將偏鈦酸中帶來的P2O5考慮在內，要求除偏鈦酸中的P2O5。

B、 金紅石型鈦白的鹽處理

鈦白工業的初期產品都是銳鈦型的，四十年代開始出現金紅石型產品。由于金紅石型鈦白粉在紫外區具有較大的吸收，在可見光區的反射率高于銳鈦型鈦白粉，因此，金紅石型鈦白粉的光化學穩定性和光澤度均高于銳鈦型鈦白粉，具有更大的實用價值。用硫酸法鈦液水解制得的偏鈦酸是無定型的（使用金紅石型晶種除外），在高溫下（1050℃以下）長時間煅燒雖然可以使產品全部轉化為金紅石晶型，但是結晶過程會產生嚴重燒結，晶格缺陷很多，晶粒過大而且很硬，產品顏料性能極差，另外，高溫常使晶格脫氧，使產品呈灰相。因此在生產中，必須在偏鈦酸中添加一些金紅石化的促進劑和晶型調整劑，使TiO2以合理的速度成長，在較低的煅燒溫度下生產出晶型轉化完全，大小適中，外形規整的顏料粒子。

（1）金紅石化促進劑

大多數金屬氧化物在鈦白粉的銳鈦型向金紅石型轉化過程中都具有誘導，促進和正催化劑的作用，一般認為阻粒子的離子半徑越小，促進金紅石化的作用就越強。但是有實用價值的必須是能生成白色氧化物的那些金屬化合物。常用的促進劑有鋅、鎂、銻、錫、鋰等元素的氧化物和鹽類以及二氧化鈦溶膠。

鋅鹽：鋅鹽是很強也是最廣泛使用的金紅石化促進劑，常用硫酸鋅、氧化鋅和氯化鋅。采用鋅鹽可加速晶型轉化，提高轉化率，降低達到最高轉化率的溫度，提高產品耐候性。但是若單獨添加鋅鹽，由于粒子生長過快，容易造成燒結而降低產品的顏料性能，使底相泛紅、顆粒變硬、分散性下降、制成的涂料粘度增加。如同時添加二氧化鈦凝膠或鋁鹽，可以改善顆粒形狀及減少燒結，因而鋅鹽大都與鉀鹽、磷酸、鋁鹽、二氧化鈦溶膠等組合使用。一般鋅鹽添加量為TiO2的0.2％-1.2％（以ZnO計）。

鎂鹽：鎂鹽是一種弱的金紅石型轉化劑，它對加速但是品的ＰＨ值達到中性具有顯著的作用。一般用量為TiO2的0.2％-0.5％（以MgO計）。

二氧化鈦溶膠：二氧化鈦溶膠俗稱煅燒晶種、乳化晶種或偏鈦酸外加晶種，有相當強的促進作用，能提高產品消色力，降低轉化溫度，改善煅燒物粒子外形，使之較為圓滑規整，使產品疏松易于粉碎。常和鋅鹽、鋁鹽組合使用、相輻相成。添加量為TiO2的2％（此為鈦酸鹽制成的TiO4膠溶）或TiO2的6％（此為TiCl4制成的TiO2膠溶）。

（2）金紅石晶粒調整劑

為使金紅石型鈦白粉在煅燒時能形成圓滑規整、性能優良的顏料顆粒，以及滿足各種品級鈦白粉的特殊要求，需要在偏鈦酸中添加一些調整劑。常用的調整劑有鉀、鋁、磷、氨和銻等元素的鹽類。這些調整劑大多是金紅石化的負催化劑。

鉀鹽：常用的有碳酸鉀、硫酸鉀和硫酸氫鉀。添加鉀鹽對改善產品的顏料性能有很大的好處，可以使顆粒疏松，提高白度和消色力，可以使二氧化鈦在較高的溫度下煅燒而不失去優良的顏料性能，因為在較高的溫度下煅燒時二氧化鈦顆粒比較致密，有利于提高耐候性和降低吸油量。添加量一般為TiO2的0.25％-0.7％（以K2O計）。

鋁鹽：目前國外采用鋁鹽添加劑日益增多，一般使用硫酸鋁并配成溶液加入偏鈦酸中。添加鋁鹽能防止二氧化鈦燒結，避免顆粒過分長大，產品比較柔軟，即使在1000-1100℃煅燒，產品白度仍很好。由于添加鋁鹽后能在更高溫度下煅燒，產品顆粒較致密，耐光性和耐候性都很好。但鋁鹽是一種負催化劑（如TiO2膠溶）組合使用，才能達到較高的轉化率和消色力。添加量為TiO2的0.8-1.0％（以Al2O3計）時，產品遮蓋力為最高。

磷酸或磷酸鹽：磷酸或磷酸鹽能改善產品白度和耐候性，顆粒比較柔軟容易粉碎。添加量一般為TiO2的0.1％（以P2O5計）。如同時添加鋅鹽，則磷酸用量可提高，少量磷酸不會阻礙金紅石化，但會使消色力稍有降低，并使達到最大消色力的煅燒溫度提高。生產時還要考慮到鈦鐵礦中含磷量，因為會有一部分磷轉移到成品中，由此磷酸添加量可適當減少。但是若偏鈦酸漿料中含可溶性鈦及稀土的話，則要多加磷酸，因為有一部分磷酸要先消耗在與鈦和稀土的結合上。

氨水或銨鹽：水洗合格的偏鈦酸中約含有硫酸8％-10％，用氨水中和到pH＝5-8，產品容易研磨，但會降低金紅石化的能力，如在氨水中和后，將硫酸銨洗去，再加1％的氧化鋅，所得的產品消色力可相對提高一些，但吸油量較高。單加氨水會使金紅石化能力降低，因而要與金紅石化促進劑配合使用。

10  偏鈦酸的煅燒

硫酸法鈦白生產中，偏鈦酸是通過高溫煅燒轉變為二氧化鈦的。煅燒過程主要是除去偏鈦酸中的水份和三氧化硫，同時使二氧化鈦轉變成所需要的晶型，并呈現出鈦白的基本顏料性能。

偏鈦酸煅燒是一個強烈的吸熱過程，工業上都采用回轉窯煅燒。煅燒工序是由偏鈦酸輸送、二氧化鈦冷卻及輸送、窯后排風收塵和燃料供給系統所組成。

經過鹽處理的偏鈦酸料漿，送至煅燒工序的儲槽內，然后用積壓泵（或軟管泵）打入內燃式回轉窯內進行煅燒。若生產電焊條、冶金、搪瓷、電容器等級別的鈦白粉，水解大都采用常壓法，其所得的偏鈦酸顆粒較粗，為節約燃料起見，可用離心機甩干后，用固體輸送設備直接送至煅燒工序，再用斗式提升機將偏鈦酸塊料加入窯內進行煅燒。迥轉窯由變速電動機傳動，可根據漿料、溫度等工藝條件的要求進行調速。窯內采用逆流加熱，從窯尾端加入的偏鈦酸，隨著回轉窯的旋轉，被帶到一定高度后，由于自身的轉動而不斷的升起和落下。由于窯體有2％-4％的傾斜度，物料每升起再落下一次，便向窯頭方向前進一定的距離，偏鈦酸就是借助重力作用，向窯前移動；燃料及助燃空氣由較低的窯頭端入窯，經燃燒產生的高溫氣體自窯頭向窯尾流動，與偏鈦酸漿料成了逆流運行。偏鈦酸就是這樣從窯尾送到窯頭，同時在溫度逐漸升高的過程中完成脫水、脫硫、晶型轉化和粒子成長等一系列物理化學變化，而形成一定晶型的鈦白粉產品。鈦白粉經窯頭下料口落入冷卻轉鼓進行冷卻，然后通過斗式提升機送至儲粉斗，備粉碎之用。

燃燒生成的大量廢氣從窯尾排出，其中除燃燒產物，水汽、三氧化硫外，帶有部分二氧化鈦粉塵（俗稱窯灰）。為了提高回收率，需將廢氣送入收塵系統以回收二氧化鈦粉塵。工業上采用重力收塵（如沉降室），濕法收塵（噴淋裝置），離心收塵（旋風分離器）及電收塵（靜電收塵器）等，分離粉塵后的尾氣含有一定量的三氧化硫，經三氧化硫吸收裝置降低到符合排放標準后排空。

如采用煤氣及天然氣等氣體燃料，可直接通過一定規格的噴嘴進入窯內燃燒，如用柴油等液體燃料，尚需附有燃油儲罐、噴油、霧化等裝置。燃燒所需的氧氣來自空氣，用鼓風機將空氣送至窯頭助燃。

A、 偏鈦酸燃燒的物理化學變化

偏鈦酸燃燒時，除脫水脫硫外，最主要的是晶型轉化及粒子成長兩個過程；具有顏料性能的鈦白粉有銳鈦型及金紅石型兩種晶型。

燃燒窯的區域劃分：燃燒窯按偏鈦酸在各部位發生的不同變化，可劃分為干燥區、晶型轉化區和粒子成長區三個區域。窯內的溫度根據窯的大小、物料離熱源中心的遠近和熱電偶所放測溫點的位置離熱源點的遠近都有關系，各廠不一樣，一般溫度范圍如表6-2：

表6-2    煅燒迥轉窯各區域的溫度范圍表

區域干燥區晶型轉化區粒子成長區

溫度℃200-800800-860860-920

各區域中發生的物理化學變化：     （１）干燥區     在干燥區域中，偏鈦酸發生脫水和脫硫的變化。這種變化可用下式表示：     TiO2.xH2O.ySO3＝TiO2+xH2O+ySO3

脫水：偏鈦酸所含的水有兩種形式：一種是濕存水，即附著在顆粒表面及夾帶在顆粒間隙里的水。這部分水與TiO2的結合不牢固，在100-200℃之間便蒸發掉。另一種是化合水，即結合在偏鈦酸分子內部的水，這部分水與二氧化鈦的結合比較牢固，要在200-300℃之間才能脫掉。

脫硫：水解生成的偏鈦酸漿料中，含有的硫酸大部分是游離酸，通過水洗即可除去。但是占偏鈦酸總量7％-8％的硫酸，以SO2的形式與偏鈦酸結合得很牢固。由于偏鈦酸形成的條件和夾帶的雜質不同，它所含的硫酸要在500-800℃間，才能分解成SO2和SO3氣體而脫去。

（２）晶體轉化區

一般硫酸法制得的偏鈦酸全部是銳鈦型晶體。經較低溫度的煅燒后，得到的全部是銳鈦型鈦白粉。這種銳鈦型通常在900℃以下是穩定的，當溫度超過950℃時，就開始向金紅石型晶型轉化。純凈的銳鈦型晶型必須在1200℃以上的高溫，才能完全轉化為金紅石型晶型。在這樣的高溫下煅燒，TiO2易燒結，為此，必須加入各種金紅石型轉化促進劑，是其晶型轉化的溫度降低到800-860℃之間，使崐其成長的銳鈦型晶體順利地完全地向金紅石型晶體轉化。

（３）粒子成長區

細小晶體聚結成顏料粒子需要獲得一定的能量。煅燒溫度越高， 粒子成長的速度便越快。在600℃以下，粒子成長的速度非常慢，超過600℃時，粒子成長速度開始加快，溫度達到900℃時，可以發現粒子成長的速度有極大的增加。如果煅燒溫度升高到1000℃時，則聚結成的粒子的直徑將達到1μm。而作為顏料鈦白粉最合適的粒徑是0.2-0.3μm，即粒徑應是可見光波波長的一半。如果粒徑小于可見光波的半波長，則顏料粒子將成為透明；若粒徑大于可見光波的半波長，則將使白色顏料呈現紅相。為此，應根據不同的條件，將這個區域的溫度控制在860-950℃之間，使長大的晶體聚結成顏料粒子。

B、煅燒時二氧化鈦與雜質間的反應

高溫煅燒時，二氧化鈦會和許多雜質元素反應生成鈦酸鹽或形成固溶體。

（１）二氧化鈦與鉀鹽的反應

在生產涂料鈦白時，往往添加碳酸鉀一類的鉀鹽進行鹽處理。碳酸鉀與偏鈦酸中的硫酸反應即生成硫酸鉀，在煅燒過程中，硫酸鉀與二氧化鈦能在高溫下反應生成鈦酸鉀。這種鈦酸鉀遇水會發生水解反應而生成氫氧化鉀。正是由于氫氧化鉀這種堿性物質的出現，使鈦白粉的水浸pH值達到中性或弱堿性，煅燒終點也正是利用這種變化來控制。其一系統反應的化學方程式如下：

K2CO3+H2SO4＝K2SO4+H2O+CO2

2K2SO4+2TiO2＝2K2TiO3+2SO2+O2

2K2TiO3+2H2O＝H2TiO3+2KOH

純凈的TiO2是中性的。水浸液pH值偏酸性或偏堿性都會影響涂料的穩定性，使涂料在調制時不固化。有資料報道，水浸液pH值呈酸性時，對消色力與底相有降低與變壞的傾向，為此必須避免出現偏酸現象，在鹽處理時適當多加一些碳酸鉀可使其水浸液出現偏堿現象。     （２）二氧化鈦與一氧化碳的反應

當燃料在窯中燃燒不完全時，會產生還原物質CO。在高溫下，CO能把TiO2還原成Ti2O3。而Ti2O3的出現會使鈦白粉的色澤帶灰相，并導致TiO2晶格上的缺陷，影響到鈦白粉的顏料性能。其反應的化學方程式如下：                                 2TiO2+CO＝Ti2O3+CO2

一般燃料燃燒都