CN104743564A - 一种高纯硼酸的制备方法及装置 - Google Patents

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于丽敏
蒋文全
郭荣贵
李涛
张婧
黄小卫
胡运生
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Abstract

一种高纯硼酸的制备方法及装置，该方法包括(1)离子交换前处理步骤，(2)蒸发再结晶提纯步骤和(3)抽滤烘干步骤。根据硼酸在水溶液中不同温度下的溶解度之间的差异，及硼酸的溶解度随温度的变化比杂质快的原理，提纯硼酸。该方法可以采用工业硼酸为原料，原料易得，成本低廉，工艺步骤简单，操作方便。

Description

一种高纯硼酸的制备方法及装置
技术领域
本发明涉及一种高纯硼酸制备方法及装置，属于无机化工技术领域。
背景技术
我国的硼资源非常丰富，但受硼矿品位和制备工艺技术的限制，目前硼酸的生产尚属于初级水平，传统工艺制备的硼酸成品中杂质含量较高，硼酸的纯度只能达到试剂标准，远远不能满足于高科技领域中所用硼酸对纯度和杂质指标的要求，致使我国高纯硼酸方面十分紧缺，基本依赖进口。因此，开展高纯硼酸制备技术和工艺研究具有重要意义。
目前国产硼酸生产工艺多为浮选法，存在着铁等杂质指标超标的问题，直接应用于高科技行业存在相当高的难度，这不仅削弱了产品的竞争力，更影响了产品的价值。对于高纯硼酸的制备方法，中国专利200810155683.2采用将优级纯试剂级硼酸溶液通入加热的强酸型阳离子交换柱，放出后直接通入冷却槽进行冷却结晶的方法。该方法不能以工业硼酸为原料进行提纯，同时，由于离子交换树脂的工作温度范围受限制，其加热的温度会有一定限制，影响提纯效果，而且由于方法过于简单，对于一些特殊杂质的提纯还是不足。中国专利201010581338.2公开一种以工业硼酸为原料直接得到核电级高纯硼酸的方法，须经过将工业硼酸溶于溶剂再加入助剂反应一定时间后，蒸发结晶，烘干后得中间产物与反应物混合，加热搅拌反应一定时间之后，再共沸蒸馏，得到的馏出物与水混合，待反应完全后蒸发结晶，得到产品后经过过滤洗涤干燥得到核电级高纯硼酸。该方法流程过于复杂，需要控制的步骤过多，因而限制了在工业上的应用。
发明内容
针对目前高纯硼酸纯度不高和制备工艺复杂等问题，本发明设计一种高纯硼酸的制备方法和装置，根据不同温度时硼酸的溶解度不同，同时硼酸的溶解度随温度的变化比杂质快的原理，可生产＞4N高纯硼酸。
为达到上述发明的目的，本发明采用以下技术方案：
一种高纯硼酸的制备方法，包括以下步骤：
(1)离子交换前处理步骤
将工业级硼酸制成饱和硼酸溶液，首先过阳离子交换柱，除去硼酸溶液中的阴离子杂质，过柱温度为20-30℃，过柱的速度为5-20mL/min；再将饱和硼酸溶液过阴离子交换柱，除去硼酸溶液中的阳离子杂质，过柱温度为20-30℃，过柱的速度为5-20mL/min；
(2)蒸发再结晶提纯步骤
将经过步骤(1)处理后的饱和硼酸溶液保持低泡沸腾状态持续加热蒸发，至硼酸在高温状态时初出小结晶时停止加热，直接放入冷却结晶容器中进行结晶，冷却结晶温度为20-30℃室温自然冷却结晶，结晶时间为10h以上；
(3)抽滤烘干步骤
冷却结晶后的混合物去除上层母液，将得到的结晶固体抽滤，洗涤后烘干，干燥温度为50-100℃，得到白色结晶状高纯硼酸。
如上所述的制备方法，优选地，所述阳离子交换柱填充商用强酸性阳离子交换树脂。
如上所述的制备方法，优选地，所述阴离子交换柱填充商用强碱性阳离子交换树脂。
如上所述的制备方法，优选地，所述步骤(2)的蒸发状态下饱和硼酸溶液的温度为80-100℃。
如上所述的制备方法，优选地，所述步骤(3)分离所得母液返回步骤(1)配制饱和硼酸溶液循环使用。
如上所述的制备方法，其中，所述低泡沸腾状态是指溶液中有非连续的气泡生成的沸腾状态。
另一方面，本发明提供一种制备高纯硼酸的装置，其包括顺序连接的饱和溶液预混器1、过滤器7、阳离子交换柱2、阴离子交换柱3、蒸发装置4、冷却结晶容器5和抽滤烘干设备6。
如上所述的装置，优选地，所述过滤器7与阳离子交换柱2之间、阳离子交换柱2与阴离子交换柱3之间，和阴离子交换柱3与蒸发装置4之间均安装水泵。
本发明的有益效果在于：本发明的高纯硼酸制备方法首先使用阳离子交换柱，除去硼酸溶液中的SO4 2-等阴离子杂质；再将饱和硼酸溶液过阴离子交换柱，除去硼酸溶液中的阳离子杂质。蒸发再结晶提纯阶段，根据硼酸在水溶液中不同温度下的溶解度之间的差异，及硼酸的溶解度随温度的变化比杂质快的原理，采用低泡沸腾蒸发再结晶的方式提纯硼酸。硼酸在水溶液中的的溶解度如表1所示。
表1硼酸在不同温度下水溶液中的溶解度
温度℃ 0 10 20 25 30 40 50 60 80 100
溶解度g/100g 2.77 3.65 4.87 5.74 6.77 8.90 11.39 14.89 23.54 38.00
冷却结晶温度优选为20-30℃室温自然冷却结晶，因为若结晶温度过低，结晶速度过快，结晶中会包藏母液，同时杂质也随之析出，影响纯化效果。该方法可以采用工业硼酸为原料，原料易得，成本低廉，工艺步骤简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明工艺流程及装置结构示意图。
具体实施方式
实施例仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明保护范围。
实施例1制备高纯硼酸的装置
如图1所示，制备高纯硼酸的装置包括顺序连接的饱和溶液预混器1、过滤器7、阳离子交换柱2、阴离子交换柱3、蒸发装置4、冷却结晶容器5和抽滤烘干设备6。在过滤器7与阳离子交换柱2之间、阳离子交换柱2与阴离子交换柱3之间，和阴离子交换柱3与蒸发装置4之间均安装水泵。
实施例2制备高纯硼酸
原料为工业级硼酸，于30℃配制10L的饱和硼酸溶液，溶解后若有明显沉淀，需过滤。将配制好的饱和硼酸溶液首先过阳离子交换柱，柱内径30mm，柱内阳离子交换树脂高度400mm，填充料为浙江争光实业股份有限公司生产的阳离子交换树脂，过柱速度为5mL/min，保持30℃。将过完阳离子交换柱的硼酸溶液用泵打入阴离子交换柱，柱内径30mm，柱内阴离子交换树脂高度400mm，填充料为浙江争光实业股份有限公司生产的阴离子交换树脂，过柱流量为5mL/min，保持30℃。再将过完阴离子交换柱的硼酸溶液泵入蒸发装置中蒸发，保持低泡沸腾状态，溶液温度90℃，缓慢蒸发，至要有微晶产生时停止加热，将蒸发后硼酸溶液直接放入冷却容器中，在室温20℃冷却结晶12小时。去除上层母液返回配制饱和硼酸溶液步骤循环使用。将结晶产物抽滤洗涤后，在90℃下烘干，得高纯硼酸产品。产品硼酸总的纯度为99.9991％，收率96％。具体纯度见表2。
表2样品杂质含量测定结果表(单位wt％)
Be Na Mg Bi K Ca Ti
＜0.0001 ＜0.001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.0001
V Cr Mn Fe Ni Co Cu
＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001
Zn Ga Ge As Se Sr Pd
＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001
Ag Cd Sn Sb Te Ba W
＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001
Pt Hg T1 Pb
＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001

Claims (7)

1.一种高纯硼酸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)离子交换前处理步骤
将工业级硼酸制成饱和硼酸溶液，首先过阳离子交换柱，除去硼酸溶液中的阴离子杂质，过柱温度为20-30℃，过柱的速度为5-20mL/min；再将饱和硼酸溶液过阴离子交换柱，除去硼酸溶液中的阳离子杂质，过柱温度为20-30℃，过柱的速度为5-20mL/min；
(2)蒸发再结晶提纯步骤
将经过步骤(1)处理后的饱和硼酸溶液保持低泡沸腾状态持续加热蒸发，至硼酸在高温状态时初出小结晶时停止加热，直接放入冷却结晶容器中进行结晶，冷却结晶温度为20-30℃室温自然冷却结晶，结晶时间为10h以上；
(3)抽滤烘干步骤
冷却结晶后的混合物去除上层母液，将得到的结晶固体抽滤，洗涤后烘干，干燥温度为50-100℃，得到白色结晶状高纯硼酸。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阳离子交换柱填充强酸性阳离子交换树脂。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阴离子交换柱填充强碱性阳离子交换树脂。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的蒸发状态下饱和硼酸溶液的温度为80-100℃。
5.如权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)分离所得母液返回步骤(1)配制饱和硼酸溶液循环使用。
6.一种制备高纯硼酸的装置，其特征在于，其包括顺序连接的饱和溶液预混器(1)、过滤器(7)、阳离子交换柱(2)、阴离子交换柱(3)、蒸发装置(4)、冷却结晶容器(5)和抽滤烘干设备(6)。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述过滤器(7)与阳离子交换柱(2)之间、阳离子交换柱(2)与阴离子交换柱(3)之间，和阴离子交换柱(3)与蒸发装置(4)之间均安装水泵。
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