CN113307281A - 三氟化硼水解合成核级硼酸的方法 - Google Patents

三氟化硼水解合成核级硼酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，步骤为：(1)将硼10丰度为96％以上的三氟化硼与水反应，设定氮气或其他惰性气体为保护气或不加保护气，三氟化硼与水的摩尔比为10:1‑1:100，反应初始温度‑20℃‑100℃，反应时间0‑40小时，反应釜底部收集硼酸水溶液，生成的氟化氢用水或碱液吸收；(2)将步骤(1)获得的硼酸重结晶提纯，设定结晶温度为0‑50℃，设定溶液浓度0‑50％。本发明的方法是一种可以直接得到富集硼10的核级硼酸的工艺，且原材料易得，工艺废料较少，带来了显著的经济和环境效益；不需要高温高压，不会造成能源浪费，因此使工艺整体的成本降低，提高了产物的纯度和收率，合成的富含硼10的硼酸纯度可达99.9％，硼10丰度大于96％，可用于核电站中子防护。

Description

三氟化硼水解合成核级硼酸的方法
技术领域
本发明涉及核级硼酸合成的方法，尤其涉及一种以硼10丰度为96％以上的三氟化硼为反应物合成核级硼酸的方法。
背景技术
硼酸及硼酸衍生物的应用领域广泛，其产量需求逐年攀升。高科技领域特别是涉核领域，所需求的硼酸对质量要求极高，除纯度需要达到99.5％以上，某些金属杂质含量需要控制在ppm级，现有的硼酸合成方法难以满足涉核领域的要求。高科技领域需求的硼酸对硼酸质量要求极高，硼酸需要达到的纯度99.9％以上以及硼10丰度95％以上，且高纯度产品的制备工艺复杂、生产成本高、对反应过程要求苛刻，没有得到很好的产业化发展。因此，需要研究一种操作简单的核级硼酸合成方法。
对于硼酸的合成，盐湖及其卤水和含硼矿物是制备硼酸的两大原材料。盐湖及其卤水中的硼含量占中国硼资源40％，含硼矿物占60％。我国目前硼酸合成以一步法、两步法、碳铵法、电解电渗析法等为主，辅以离子交换法、吸附法、萃取法对产品进行提纯。传统的一步法、两步法耗酸量大，且容易腐蚀设备；碳铵法原料可重复使用，但流程复杂不适合工业大规模应用；酸化结晶法虽可用于工业应用，但回收率低；电解电渗析法成本昂贵不适合工业生产；国外主要采用二氧化碳法制备硼酸，绿色环保，存在的问题主要是原料硼矿的溶解率不高；总体来说，制备核级硼酸最突出的问题是纯度不够，环境影响大。
发明内容
本发明的目的是克服现有工艺的不足，用原材料易得、合成工艺简便、不引入新杂质的硼10丰度为96％以上的三氟化硼和水为原料反应合成核级硼酸。
本发明的技术方案概述如下：三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，包括如下步骤：
(1)将硼10丰度为96％以上的三氟化硼与水反应，设定氮气或其他惰性气体为保护气或不加保护气，三氟化硼与水的摩尔比为10:1-1:100，反应初始温度-20℃-100℃，反应时间0-40小时，反应釜底部收集硼酸水溶液，生成的氟化氢用水吸收可得氢氟酸产品，或用碱液吸收得到氟化物盐溶液；
(2)将步骤(1)获得的硼酸重结晶提纯，设定结晶温度为0-50℃，设定溶液浓度0-50％。三氟化硼与水摩尔比优选为1:3-1:10。
进一步，三氟化硼与水反应初始温度优选为0-20℃。
进一步，反应时间优选为25-30h。
进一步，结晶温度优选为0-10℃。
进一步，溶液浓度优选为25％-30％。
本发明的优点：本发明的方法是一种可以直接得到富集硼10的核级硼酸的工艺，且原材料易得，工艺废料较少，带来了显著的经济和环境效益；合成工艺简易，且不需要高温高压，不会造成能源浪费，因此使工艺整体的成本降低，提高了产物的纯度和收率，合成的富含硼10的硼酸纯度可达99.9％，硼10丰度为96％以上，可用于核电站中子防护。
附图说明
图1硼酸产物形态；
图2硼酸晶体：a-粒径100μm；b-粒径50μm；
图3硼酸XRD图。
具体实施方式
下面结合具体实施举例对本发明作进一步详细的描述。
将富含硼10的三氟化硼与水反应用于合成核级硼酸，步骤如下：
步骤一、将只含有硼10的三氟化硼作为硼源，设定氮气或其他惰性气体为保护气或不加保护气，按照三氟化硼与水反应摩尔比为10:1-1:100进料，反应初始温度-20℃-100℃，反应时间0-40小时，反应釜底部收集硼酸水溶液，生成的氟化氢用水吸收可得氢氟酸产品，或用碱液吸收得到氟化物盐溶液。
步骤二、将步骤(1)获得的硼酸重结晶提纯，设定结晶温度为0-50℃，设定溶液浓度0-50％。步骤三、硼酸的表征分析。其中，分析仪器包括但不限于X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线能谱仪、电感耦合等离子体质谱。
实施例1
三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，包括如下步骤：
(1)将硼10丰度为96％以上的三氟化硼与水反应，设定氮气为保护气，三氟化硼与水的摩尔比为4:3，反应初始温度0℃，反应时间25小时，反应釜底部收集硼酸水溶液，生成的氟化氢用水吸收可得氢氟酸产品，或用碱液吸收得到氟化物盐溶液；
(2)将步骤(1)获得的硼酸重结晶提纯，设定结晶温度为10℃，设定溶液浓度30％，结晶完成后，烘干得到的硼酸晶体。
硼酸(B(OH)3)的粒径为350-700μm。
硼酸(B(OH)3)的纯度为93.56％，硼10丰度为96％以上。
用三氟化硼与水摩尔比为2:3代替实施例1的三氟化硼与水摩尔比为4:3，其他同实施例1，其硼酸(B(OH)3)的粒径为400-1000μm，硼酸(B(OH)3)的纯度为99.9％，硼10丰度为96％以上。
实施例2
三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，包括如下步骤：
(1)将硼10丰度为96％以上的三氟化硼与水反应，设定氮气为保护气，三氟化硼与水的摩尔比为2:3，反应初始温度30℃，反应时间25小时，反应釜底部收集硼酸水溶液，生成的氟化氢用水吸收可得氢氟酸产品，或用碱液吸收得到氟化物盐溶液；
(2)将步骤(1)获得的硼酸重结晶提纯，设定结晶温度为10℃，设定溶液浓度30％，结晶完成后，烘干得到的硼酸晶体。
硼酸(B(OH)3)的粒径为400-800μm。
硼酸(B(OH)3)的纯度为97.56％，硼10丰度为96％以上。
用反应初始温度10℃代替实施例2的反应初始温度30℃，其他同实施例2，其硼酸(B(OH)3)的粒径为400-1000μm，硼酸(B(OH)3)的纯度为99.9％，硼10丰度为96％以上。
实施例3
三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，包括如下步骤：
(1)将硼10丰度为96％以上的三氟化硼与水反应，设定氮气为保护气，三氟化硼与水的摩尔比为2:3，反应初始温度5℃，反应时间15小时，反应釜底部收集硼酸水溶液，生成的氟化氢用水吸收可得氢氟酸产品，或用碱液吸收得到氟化物盐溶液；
(2)将步骤(1)获得的硼酸重结晶提纯，设定结晶温度为10℃，设定溶液浓度30％，结晶完成后，烘干得到的硼酸晶体。
无硼酸(B(OH)3)产生。
用反应时间25小时代替实施例3的反应时间15小时，其他同实施例3，其硼酸(B(OH)3)的粒径为400-1000μm，硼酸(B(OH)3)的纯度为99.9％，硼10丰度为96％以上。
实施例4
三氟化硼水解合成核级硼酸方法，包括如下步骤：
(1)将硼10丰度为96％以上的三氟化硼与水反应，设定氮气为保护气，三氟化硼与水的摩尔比为2:3，反应初始温度10℃，反应时间25小时，反应釜底部收集硼酸水溶液，生成的氟化氢用水吸收可得氢氟酸产品，或用碱液吸收得到氟化物盐溶液；
(2)将步骤(1)获得的硼酸重结晶提纯，设定结晶温度为10℃，设定溶液浓度30％，结晶完成后，烘干得到的硼酸晶体。
硼酸(B(OH)3)的粒径为450-920μm。
硼酸(B(OH)3)的纯度为99.9％，硼10丰度为96％以上。
用不加保护气代替实施例4的加入氮气为保护气，其他同实施例4，其硼酸(B(OH)3)的粒径为350-900μm，硼酸(B(OH)3)的纯度为99.9％，硼10丰度为96％以上。
实施例5
(1)将硼10丰度为96％以上的三氟化硼与水反应，三氟化硼与水的摩尔比为2:3，反应初始温度10℃，反应时间25小时，反应釜底部收集硼酸水溶液，生成的氟化氢用水吸收可得氢氟酸产品，或用碱液吸收得到氟化物盐溶液；
(2)将步骤(1)获得的硼酸重结晶提纯，设定结晶温度为10℃，设定溶液浓度30％，结晶完成后，烘干得到的硼酸晶体。
硼酸(B(OH)3)的粒径为450-900μm。
硼酸(B(OH)3)的纯度为99.56％，硼10丰度为96％以上。
用结晶温度20℃代替实施例5的结晶温度10℃，其他同实施例5，其硼酸(B(OH)3)的粒径为400-1000μm，硼酸(B(OH)3)的纯度为98.56％，硼10丰度为96％以上。
实施例6
三氟化硼水解合成核级硼酸方法，包括如下步骤：
(1)将硼10丰度为96％以上的三氟化硼与水反应，三氟化硼与水的摩尔比为2:3，反应初始温度10℃，反应时间25小时，反应釜底部收集硼酸水溶液，生成的氟化氢用水吸收可得氢氟酸产品，或用碱液吸收得到氟化物盐溶液；
(2)将步骤(1)获得的硼酸重结晶提纯，设定结晶温度为10℃，设定溶液浓度30％，结晶完成后，烘干得到的硼酸晶体。
硼酸(B(OH)3)的粒径为450-920μm。
硼酸(B(OH)3)的纯度为99.53％，硼10丰度为96％以上。
用硼酸溶液浓度为20％代替实施例6的硼酸溶液浓度为30％，其他同实施例6，其硼酸(B(OH)3)的粒径为300-1200μm，硼酸(B(OH)3)的纯度为98.53％，硼10丰度为96％以上。
表1
Figure BDA0003090657820000051
实施例7至17，通过调整关键技术参数对本发明做进一步阐述。如图1所示，硼酸产物形态；如图2所示硼酸晶体，其中a粒径100μm；b粒径50μm；
图3为硼酸XRD图。
综上，本发明方法操作简单，成本低廉，合成得到的硼酸纯度较高。
尽管以上对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实例仅仅是示意性的，并不是限制性的操作，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨的情况下，还可以做出更多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.三氟化硼水解合成核级硼酸的方法。
2.根据权利要求1所述的三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，其特征是，包含以下步骤：
(1)将硼10丰度为96％以上的三氟化硼与水反应，设定氮气或其他惰性气体为保护气或不加保护气，三氟化硼与水的摩尔比为10:1-1:100，反应初始温度-20℃-100℃，反应时间0-40小时，反应釜底部收集硼酸水溶液，生成的氟化氢用水吸收可得氢氟酸产品，或用碱液吸收得到氟化物盐溶液；
(2)将步骤(1)获得的硼酸重结晶提纯，设定结晶温度为0-50℃，设定溶液浓度0-50％。
3.根据权利要求1所述的三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，其特征是，三氟化硼与水摩尔比为1:3-1:10。
4.根据权利要求1所述的三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，其特征是，三氟化硼与水反应初始温度为0-20℃。
5.根据权利要求2所述的三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，其特征是，所述反应时间为25-30h。
6.根据权利要求2所述的三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，其特征是，所述结晶温度为0-10℃。
7.根据权利要求2所述的三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，其特征是，所述溶液浓度为25％-30％。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的三氟化硼水解合成核级硼酸的方法，其特征是，所述核级硼酸纯度为99.9％，硼10丰度为96％以上。
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