CN103290427A - 一种制备氟钛酸钾的方法 - Google Patents

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本发明提供了一种制备氟钛酸钾的方法。所述方法采用隔膜电解槽来制备氟钛酸钾，所述隔膜电解槽包括阴极室、阳极室以及设置在所述阴极室与所述阳极室之间的膈膜室，并且所述膈膜室具有第一侧壁和第二侧壁，其中，所述第一侧壁靠近所述阴极室并由阴离子交换膜形成，所述第二侧壁靠近所述阳极室并由阳离子交换膜形成，所述方法包括以下步骤：在所述阴极室中形成含有
Figure DDA00003347867200011
和的溶液，在所述膈膜室中形成含有K+和F-的溶液，在所述阳极室中加入水，以构成电解体系；通电电解，在所述膈膜室中获得氟钛酸钾晶体。本发明的方法能够制得大晶粒尺寸高纯度的氟钛酸钾晶体，而且钛的提取率高，成本低。

Description

一种制备氟钛酸钾的方法
技术领域
本发明属于湿法冶金技术领域，具体来讲，本发明涉及一种制备氟钛酸钾晶体的方法，所述氟钛酸钾晶体主要应用于钛金属的粉末冶金和制取低-高容量的电容器等方面。
背景技术
目前，氟钛酸钾作为钛冶金的一种重要原料，现有技术工艺通常采用氢氟酸与偏钛酸作用后，再使用氢氧化钾中和的方式来制备氟钛酸钾。然而，对于该现有技术工艺而言，其存在的不足包括：药品消耗量大，且反应步骤中存在多重结晶，能耗较高。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在上述不足中的一项或多项。例如，本发明的目的之一在于提供一种更加经济有效地制备氟钛酸钾晶体的方法。
本发明提供了一种制备氟钛酸钾的方法，所述方法采用隔膜电解槽来制备氟钛酸钾，所述隔膜电解槽包括阴极室、阳极室以及设置在所述阴极室与所述阳极室之间的膈膜室，并且所述膈膜室具有第一侧壁和第二侧壁，其中，所述第一侧壁靠近所述阴极室并由阴离子交换膜形成，所述第二侧壁靠近所述阳极室并由阳离子交换膜形成，所述方法包括以下步骤：在所述阴极室中形成含有
Figure BDA00003347867100011
和
Figure BDA00003347867100012
+的溶液，在所述膈膜室中形成含有K+和F-的溶液，在所述阳极室中加入水，以构成电解体系；通电电解，在所述膈膜室中获得氟钛酸钾晶体。
在本发明的一个示例性实施例中，所述构成电解体系的步骤可以包括：向所述阴极室中加入由二氧化钛、氢氟酸和氟化铵混合得到的氟钛溶液；向所述膈膜室中加入氟化钾溶液；向所述阳极室中加入氢氟酸溶液。
在本发明的一个示例性实施例中，所述通电电解步骤可以将构成电解体系的液体温度控制在40～60℃的温度范围内。
在本发明的一个示例性实施例中，所述膈膜室中可设置有供氟钛酸钾晶体沉积的沉积板。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：能够制得大晶粒尺寸高纯度的氟钛酸钾晶体，而且钛的提取率高，成本低。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的制备氟钛酸钾的方法。
根据本发明的制备氟钛酸钾的方法采用隔膜电解槽来制备氟钛酸钾，其中，所述隔膜电解槽包括阴极室、阳极室以及设置在所述阴极室与所述阳极室之间的膈膜室，并且所述膈膜室具有第一侧壁和第二侧壁，其中，所述第一侧壁靠近所述阴极室并由阴离子交换膜形成，所述第二侧壁靠近所述阳极室并由阳离子交换膜形成，具体来讲，本发明的制备氟钛酸钾方法包括以下步骤：在所述阴极室中形成含有
Figure BDA00003347867100023
和
Figure BDA00003347867100024
的溶液，在所述膈膜室中形成含有K+和F-的溶液，在所述阳极室中加入水，以构成电解体系；通电电解，在所述膈膜室中获得氟钛酸钾晶体。这里，在所述通电电解步骤中，将构成电解体系的液体温度控制在40～60℃的温度范围内，从而能够有利于氟钛酸钾在膈膜室中形成大粒径（例如，粒径为20～400微米）的晶体颗粒。然而，本发明不限于此，例如，在本发明的方法中，构成电解体系的液体温度也可以控制在35～65℃的温度范围内。此外，为了便于氟钛酸钾晶体沉积，也可以在膈膜室中设置供氟钛酸钾晶体沉积的沉积板。在本发明的方法中，可以使用惰性电极（例如，石墨电极等）来作为阳极和阴极。
在本发明的方法一个示例性实施例中，也可采用以下方式构成电解体系：向所述阴极室中加入由二氧化钛、氢氟酸和氟化铵混合得到的氟钛溶液，其中含有
Figure BDA00003347867100021
和
Figure BDA00003347867100022
离子；向所述膈膜室中加入氟化钾溶液，其中含有K+和F-离子；向所述阳极室中加入氢氟酸溶液，其中含有水。
此外，优选地，可将阳极室内的氢氟酸溶液浓度控制在90～11g/L范围内，这样能够有利于阳极室电解的稳定进行。
这里，将结合该示例性实施例来说明本发明制备氟钛酸钾的方法的主要反应机理，详述如下：
在通电的情况下，阴极电解液（例如，氟钛溶液）中形成氟钛酸根离子
Figure BDA00003347867100031
和铵根离子
Figure BDA00003347867100032
同时，阴极中的氢氟酸（HF）也会发生离解形成氢离子（H+）和氟离子（F-）。此外，氢离子会在阴极得电子而析出氢气。例如，阴极室所涉及的化学式可以包括如下内容：
Figure BDA00003347867100038
Figure BDA00003347867100037
在通电的情况下，阳极室主要进行以下化学反应：
Figure BDA00003347867100039
Figure BDA000033478671000310
可以看出，阳极析出氧气。
对于膈膜室而言，其自身存在钾离子（K+）和氟离子（F-）。并且，在膈膜室的阴离子交换膜的作用下，仅膈膜室中的阴离子与阴极室中的阴离子可以透过阴离子交换膜，而膈膜室中的阳离子和阴极室中的阳离子不能透过阴离子交换膜；在膈膜室的阳离子交换膜的作用下，仅膈膜室中的阳离子与阳极室中的阳离子可以透过阳离子交换膜，而膈膜室中的阴离子和阳极室中的阴离子不能透过阴离子交换膜。
在电解开始后，阴极室产生的氟钛酸根离子透过阴离子交换膜进入膈膜室，并与膈膜室中的钾离子（K+）反应，形成氟钛酸钾，并以晶体形式沉积出来。同时，随着反应的进行，膈膜室中的酸浓度会逐渐升高。
膈膜室中的化学反应包括如下内容：
Figure BDA000033478671000312
Figure BDA00003347867100035
以上从反应机理方面对本发明的制备氟钛酸钾的方法进行了详细描述，可以看出，本发明方法的最终产物是无害气体（即，氢气和氧气）、多组分氟化铵溶液和氢氟酸以及氟钛酸钾晶体。
此外，优选地，在采用恒电流（例如，电流密度可以为10mA～68mA）电解并且将电解体系中的溶液温度控制在40～60℃范围内的恒定温度的情况下，在控制单位时间内向膈膜室中加入的氟化钾的物质的量等于或略大于单位时间从阴极室进入膈膜室中的氟钛酸根离子
Figure BDA00003347867100036
的物质的量的情况下，能够更有利于得到粒径更大（例如，100～400微米）的氟钛酸钾晶体。
本发明的方法制得的氟钛酸钾晶体能够用于钛金属粉末冶金工艺和制取低-高容量的电容器等方面。
下面结合示例来详细描述本发明的示例性实施例。
示例1
制作由阴极室、阳极室以及设置在所述阴极室与所述阳极室之间的膈膜室的隔膜电解槽，并且膈膜室具有靠近阴极室并由阴离子交换膜形成的一个侧壁和靠近阳极室并由阳离子交换膜形成另一个侧壁。采用石墨电极作为阴极和阳极。并在膈膜室中设置沉积板。
在阴极室中加入由100gТiО2、50g HF、200g NH4F构成的氟钛溶液，在阳极室中加入浓度为90g/L的HF酸溶液，在膈膜室中加入浓度为50g/L的KF溶液，形成电解体系。将电解体系中溶液的温度控制为45±1℃。然后，通电电解，并将电流密度控制为20mA。
随着电解的持续进行，可持续向阴极室中加入上述氟钛溶液，例如，氟钛溶液的加入速度可以为4.1～8.2L/h；并同时向膈膜室中加入上述KF溶液，例如，KF溶液的加入速度可以为2.2～4.4L/h。本示例，持续电解5h。
通过检测，本示例获取的氟钛酸钾纯度在99.9%，晶粒粒径在20～400微米范围内，其中，粒径超过100微米的晶粒占75wt%。母液中钛元素含量少于0.4g/L。隔膜中氢氟酸的浓度为103g/L，阴极电解液中NH4F浓度为206g/L。经计算，平均每1kgТiО2消耗电能4.2kWh。
示例2
制作由阴极室、阳极室以及设置在所述阴极室与所述阳极室之间的膈膜室的隔膜电解槽，并且膈膜室具有靠近阴极室并由阴离子交换膜形成的一个侧壁和靠近阳极室并由阳离子交换膜形成另一个侧壁。采用石墨电极作为阴极和阳极。并在膈膜室中设置沉积板。
在阴极室中加入氟钛溶液（其中，氟钛酸根离子
Figure BDA00003347867100041
的浓度为35g/L），在阳极室中加入浓度为6g/L的HF酸溶液，在膈膜室中加入浓度为3.8的KF溶液，形成电解体系。将电解体系中溶液的温度控制为60±1℃。然后，通电电解，并将电流密度控制为40mA。
随着电解的持续进行，可持续向阴极室中加入上述氟钛溶液，例如，氟钛溶液的加入速度可以为4.1～8L/h；并同时向膈膜室中加入上述KF溶液，例如，KF溶液的加入速度可以为2.5～4.4L/h。本示例，持续电解6h。
通过检测，本示例获取的氟钛酸钾纯度在99.9%，晶粒粒径在20～400微米范围内，其中，粒径超过100微米的晶粒占80wt%。母液中钛元素含量少于0.5g/L。隔膜中氢氟酸的浓度为100g/L，阴极电解液中NH4F浓度为198g/L。经计算，平均每1kgТiО2消耗电能3.8kWh。
综上所述，本发明的方法能够制得大晶粒尺寸高纯度的氟钛酸钾晶体，而且钛的提取率高，成本低。此外，与现有技术工艺中采用氢氟酸与偏钛酸作用后，再使用氢氧化钾中和的方式来制备氟钛酸钾的方法相比，本发明的方法能够降低药品的消耗，并且避免多次反应步骤重结晶过程，能够从氟氧酸或者氟化氨溶液中沉淀氟钛酸盐，避免精制和吸附过程。
尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (4)

1.一种制备氟钛酸钾的方法，其特征在于，所述方法采用隔膜电解槽来制备氟钛酸钾，所述隔膜电解槽包括阴极室、阳极室以及设置在所述阴极室与所述阳极室之间的膈膜室，并且所述膈膜室具有第一侧壁和第二侧壁，其中，所述第一侧壁靠近所述阴极室并由阴离子交换膜形成，所述第二侧壁靠近所述阳极室并由阳离子交换膜形成，所述方法包括以下步骤：
在所述阴极室中形成含有
Figure FDA00003347867000011
和
Figure FDA00003347867000012
+的溶液，在所述膈膜室中形成含有K+和F-的溶液，在所述阳极室中加入水，以构成电解体系；
通电电解，在所述膈膜室中获得氟钛酸钾晶体。
2.根据权利要求1所述的制备氟钛酸钾的方法，其特征在于，所述构成电解体系的步骤包括：向所述阴极室中加入由二氧化钛、氢氟酸和氟化铵混合得到的氟钛溶液；向所述膈膜室中加入氟化钾溶液；向所述阳极室中加入氢氟酸溶液。
3.根据权利要求1所述的制备氟钛酸钾的方法，其特征在于，所述通电电解步骤将构成电解体系的液体温度控制在40～60℃的温度范围内。
4.根据权利要求1所述的制备氟钛酸钾的方法，其特征在于，所述膈膜室中设置有供氟钛酸钾晶体沉积的沉积板。
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