摘要：研究硫酸法钛白粉生产水洗滤饼还原处理过程还原剂加入量、反应浓度、反应温度和反应pH值因素的影响作用。结果表明，增加还原剂铁粉加入量可有效降低Fe2O 3含量，在0.12%~0.22%范围内，Fe2O 3含量显著减少；反应原料浓度增加会导致Fe2O 3含量升高，浓度过高会抑制还原效率；反应温度对还原效果具有显著影响，最佳反应温度为50℃;pH值对还原过程影响显著，较低pH值有利于Fe3+向Fe2+的转换。影响因素影响顺序为：反应pH值>还原剂加入量>反应温度>反应原料浓度。以上结果为实际生产中控制和优化硫酸法钛白粉的还原处理提供参考。

　　关键词：硫酸法；钛白粉；水洗滤饼；还原过程

　　0引言

　　当前，硫酸法生产钛白粉工艺已相对成熟，但仍存在诸多挑战，特别是在提高产品质量和降低生产成本方面[1]。水洗滤饼中Fe2O3含量过高导致产品中Fe2O3含量过高，影响钛白粉成品的品质，必须对其进行还原反应。研究了还原过程中各种影响因素如还原剂用量、温度、浓度和pH值的具体作用和机理，为科学调控提供理论依据和实践指导[2]。

　　1试验材料及方法

　　1.1试验材料

　　主要试验原料为龙佰集团某钛白粉企业的水洗滤饼，含水率为10.5%，水洗滤饼烘干处理后基本成分如表1所示。

　　水洗滤饼中Fe2O3质量分数高达0.03%，通常在生产过程中为控制产品质量要求滤饼中Fe2O3质量分数控制在3×10-5之下，此时滤饼中Fe2O3含量严重超标，会影响钛白粉成品的品质，必须对水洗滤饼进行还原处理。

　　1.2试验方法

　　系统研究硫酸钛溶液的还原反应，研究不同条件下影响因素。

　　1）试验设备和设置。使用具备温度控制和pH监控的恒温反应器进行试验，所有试验均在配备搅拌器的标准实验室环境中进行，确保反应混合均匀。

　　2）样品准备。将水洗后滤饼定量配置成质量浓度300 g/L浆料，采用干燥铁粉作为还原剂。

　　3）反应条件设定。还原剂用量、反应原料浓度、反应温度、反应pH值设置。

　　4）反应过程。在设定条件下，将铁粉快速加入浆料中，立即开启搅拌器保持均匀搅拌30 min。

　　5）样品采集与分析。在规定时间点取样，脱盐水进行洗涤，通过加入盐处理剂和在马弗炉中煅烧来处理样品。X射线荧光光谱分析Fe2O3含量。

　　2试验结果与分析

　　2.1还原剂用量对还原过程的影响

　　其他实验条件一致，加入不同用量还原剂（铁粉加入量0.12%、0.14%、0.16%、0.18%、0.20%、0.22%）进行实验，产品中Fe2O3质量分数为0.013 1%、0.009 9%、0.007 1%、0.004 2%、0.003 1%、0.002 4%。

　　随着还原剂铁粉加入量从0.12%增加至0.22%，产品中Fe2O3含量表现为下降趋势，在铁粉加入用量为0.22%时，产品中Fe2O3质量分数达到最小值0.002 4%；还原剂铁粉加入用量在0.12%~0.18%时，产品中Fe2O3含量降低速率较快，样品中的Fe3+与加入的还原剂反应生成Fe2+，经洗涤可快速去除，还原剂铁粉用量在0.12%~0.18%时对还原过程影响较大；还原剂铁粉加入用量在0.18%~0.22%时，产品中Fe2O3含量降低速率变慢，当还原剂铁粉用量超过0.18%后，样品中的Fe3+与加入还原剂大量反应，剩余Fe3+浓度变小，加大还原剂后，两者的反应速率降低，这导致产品中Fe2O3含量降低速率变慢，还原剂铁粉用量在0.18%~0.22%时对还原过程影响较小。

　　2.2反应原料浓度对还原过程的影响

　　铁粉加入量为0.18%，其他实验条件一致，采用不同浓度原料（150、200、250、300、350、400 g/L）进行实验，产品中Fe2O3质量分数分别为0.002 8%、0.003 3%、0.003 7%、0.004 2%、0.004 8%、0.005 7%。

　　随着加入原料浓度从150 g/L增加至400 g/L，产品中Fe2O3含量表现为上升趋势，加入原料质量浓度为150、400 g/L时产品中Fe2O3质量分数分别为最小值0.002 8%、最大值0.005 7%。原料浓度对还原反应起到一定抑制作用，原料浓度越大对还原反应的抑制越大，导致产品中Fe2O3含量越大。原料浓度越大，原料黏度变大，在整个反应体系中越不利于还原剂的分散，导致Fe3+与还原剂的接触变少，反应速度降低。整体来看，加入原料浓度不同产品的Fe2O3质量分数在0.002 8%~0.005 7%之间，两者仅相差0.002 9%，原料浓度对于还原反应的影响较小。

　　2.3反应温度对还原过程的影响

　　铁粉加入量0.18%、原料质量浓度300 g/L，其他实验条件一致，采用不同反应温度（20、30、40、50、60、70℃)进行实验，产品中Fe2O3质量分数如图1所示。

　　从图1可知，随着反应温度从20℃增加至70℃过程中，产品中的Fe2O3质量分数表现为先下降后上升趋势，在反应温度在50℃时产品中Fe2O3质量分数为最小值41×10-6。当反应温度在20~50℃之间时，随着温度升高矿浆流动性变大，Fe3+与还原剂接触变大，反应速率加快，产品中Fe2O3含量越小，该阶段反应温度对还原反应的影响最大；当反应温度在50~70℃之间时，Fe3+水解作用变强，生成Fe2O3沉淀的速率变大，造成了产品中Fe2O3含量变大，该阶段水解反应对还原反应的影响最大。整体来看，反应温度对还原反应的影响较大。

　　2.4反应pH值对还原过程的影响

　　铁粉加入量为0.18%、原料质量浓度为300 g/L、反应温度为50℃,及在其他实验条件一致情况下，采用不同反应pH值（1、2、3、4、5、6）进行实验，产品中Fe2O3质量分数如图2所示。

　　从图2可知可知，随着pH值从1增加至6过程中，产品中的Fe2O3含量表现为先上升后趋于稳定，在反应pH值<2时产品中Fe2O3含量变化较小，在反应pH值在2~4时产品中Fe2O3含量变化较大，在反应pH值>4时产品中Fe2O3含量达到最大值基本保持稳定。主要原因是Fe3+水解作用造成的，有研究表明当pH值>2.87时Fe3+开始水解生成Fe2O3沉淀，pH值=3.87时Fe3+全部生成Fe2O3沉淀。整体来讲，pH值对还原反应的影响最大，且该还原反应需在强酸性中进行。

　　3还原机理分析

　　在硫酸法生产钛白粉过程中，铁粉为还原剂，主要目将溶液中的Fe3+还原为Fe2+。此反应不仅影响最终产品品质，对整个生产过程环境影响也至关重要。主要有式（1）—式（4）化学反应。

　　反应中还原剂铁还原Fe3+离子成为Fe2+离子。同时Fe3+水解生成氢氧化铁沉淀。

　　pH值通过改变溶液中H+的浓度直接影响Fe3+和Fe2+的稳定性和溶解性。在较低pH值下，Fe3+稳定不易水解，H+的高浓度会抑制Fe3+的还原反应。温度的提高通常会增加反应速率，因为高温促进了分子的运动和碰撞频率，从而加快电子的转移速度；然而，过高的温度也能导致Fe3+水解反应速率的加快，当温度过高，水解反应对还原反应的影响较大时，反而会造成了产品中Fe2O3含量变大。原料浓度直接影响到反应的可行性和速度。在较低浓度下，反应物分子间的碰撞机会较少，反应速率较低；提高原料浓度后，碰撞机会增多，反应速率提高。还原剂的加入量直接决定反应中可供电子的数量，适量的还原剂可以确保有足够的电子供应进行Fe3+到Fe2+的转换，而过量的还原剂会浪费资源。

　　4结论

　　本文系统研究了硫酸法钛白粉生产中水洗滤饼的还原处理，考察了还原剂用量、反应原料浓度、反应温度和pH值对还原效率的影响。研究发现，还原剂用量在0.12%~0.22%范围内，Fe2O3含量逐渐降低，表明适量增加还原剂可提高还原反应效率；较低原料浓度更有利于还原效果，浓度增高可能导致反应物分散不均，影响还原反应；反应温度在50℃时显示出最优还原效果；更高温度会加速Fe3+的水解反应，不利Fe2O3减少。pH值对还原反应具有显著影响，过高或过低pH值都会抑制Fe3+有效还原。影响因素影响顺序为反应pH值>还原剂加入量>反应温度>反应浓度，为实际生产中控制和优化硫酸法钛白粉的还原处理提供参考。

　　参考文献

　　[1]马文.硫酸法钛白粉还原过程及机理研究[J].化工管理，2019，（15）：174-175.

　　[2]徐美景，郭会良，蔡平雄，等.硫酸法钛白粉中还原过程的影响因素及机理分析[J].中国涂料，2015，30（11）：58-61.