硫酸法钛白粉的生产--水处理

    一、江河水的除杂净化处理
    钛白粉的生产，耗水量大，常常是厂家自行抽取江河水进行净化处理，达到要求后成为普通水才使用。江河水的杂质较多，主要是以sio₂为主的泥浆悬浮物和其他固体悬浮物。这些悬浮物通过砂滤后，粗颗粒部分可以被除去，但是细颗粒部分，尚需要加铁系或铝系净水剂加以处理才能除去。
    以sio₂为主的悬浮物常吸附带阴离子胶体微粒而带负电荷。带有相同负电荷的微粒，由于同电相斥的作用，使微粒不易聚集而比较稳定，可以维持较长的时间也不沉降，因而难以除去。
    在自来水处理中，加铁系净水剂时，铁系净水剂在水中即水解生成絮状氢氧化铁沉淀，氢氧化铁常吸附带阳离子微粒而带正电荷，当其遇到带负电荷的以sio₂为主的泥沙悬浮物，即由于异电相吸而产生共沉淀而达到净水的目的。但是，常常还有少量氢氧化铁微粒漂浮在水中，在偏钛酸水洗时，这些微粒便在滤饼表面不断积聚而覆盖成一层棕黄色铁质层，这些铁质最终会影响到钛白粉成品的白度，因而铁系净水剂只能应用于自来水的除杂，而不能应用于钛白粉生产用水的除杂。
    钛白粉生产用水的除杂必须使用铝系（以硫酸铝为例）净水剂。硫酸铝在水里水解会生成氢氧化铝沉淀，其反应式如下：

    氢氧化铝微粒常吸附阳离子胶体微粒而带正电荷。这些带正电荷的AI(OH)₃微粒，当在水中遇到带负电荷的以sio₂为主的泥浆胶体微粒时，由于异电相吸，便相互聚集成较大的微粒，借助于重力作用而沉降被除去，达到了净化水的目的。
    二、偏钛酸漂白后的水洗、后处理的水选和包膜后的水洗都应该用离子交换水
    钛白粉粒子本身表面的特性是亲水疏油的，所以可以用水来作分散介质，进行后处理的水选。但是一般的自来水或净化过的江河水含有各种电解质，水中的离子会使钛白粉颗粒表面发生电性中和而产生凝聚，特别是在硬水中凝聚更为严重。因此铁白粉的分散不能用这些水，必须用离子交换的去离子的纯水。
    包膜后的浆料中还存在着一定的水溶性盐，这些水溶性盐的存在会影响钛白粉的漆用性能，主要是影响颜料的研磨分散性，漆浆的贮存稳定性，漆膜的耐水性、耐候性。要是用自来水或净化过的江河水洗涤，则由于其含有Ca²⁺ , Mg²⁺ , Na⁺、SO₄²⁺、C1^-等杂质离子，因此用自来水洗涤达不到除去水溶性盐的目的，所以也必须用离子交换的去离子水来水洗。
    在漂白工序时，经过还原后的偏钛酸，也需要用这种去离子水来水洗除铁。
    因为用离子交换法制得的纯水，与蒸馏法制得的纯水相比具有下列优点：①所制得的水纯度高，相当于二次蒸馏水的纯度；②不用燃料；③成本低；④设备简单、装配容易、操作方便；⑤可以大量生产，适合工业生产需要，上述优点对于蒸馏法是无可比拟的。因此在工业上离子交换法制纯水已逐步取代了蒸馏法制纯水。[next]
    三、离子交换树脂的组成和分类
    离子交换树脂是一种带有能交换离子特性的高分子化合物，由以下两部分组成。
    ①交换剂本体是高分子化合物和交联剂组成的共聚物，是离子交换剂的骨架；
    ②交换基团是由能起交换作用的阳（阴）离子与联结骨架的一些离子所组成。
    树脂可分为含有阳离子交换基团的阳离子交换树脂（如732型树脂）和含有阴离子交换基团的阴离子交换树脂（如711型树脂）两种。
    四、新树脂在使用前的预处理方法
    新买回的树脂往往含有杂质和低分子有机物，会影响树脂的交换能力，因此，新树脂在使用前必须进行预处理。预处理的方法有动态法（在柱内操作）和静态法（在容器中浸泡）两种。实践证明，无论在经济上还是在效果上，动态法均较静态法优越。
    树脂预处理的步骤如下：在阳（阴）柱内装人阳（阴）离子交换树脂，加水浸泡12h以上，使树脂充分膨胀，排空，用水流动冲洗，以除去色素、水溶性和不溶性杂质，洗至出水无色透明为止，加人含1％NaCl的乙醇溶液浸泡24h,以除去芳香性和醇溶性物质，用水冲洗至无乙醇气味为止，加人5％HCI溶液(5％ NaOH溶液）浸泡12h,用水冲洗至pH值为4-5 (8-9),用5%NaOH溶液(5％HC1溶液）浸泡4h,用水冲洗至pH值为8-9(4-5)，此时阳（阴）树脂已转型成钠型（氯型）。其转型反应式如下：

    再用5％HCI溶液(5％NaOH溶液）浸泡2h,用纯水冲洗至pH值为5(8）。其反应式如下：

    所用的盐酸和氢氧化钠均可使用工业品。
    五、离子交换水的制造原理
    水的离子交换是在交换柱中进行的，放阳离子交换树脂的柱称阳塔或阳床；放阴离子交换树脂的柱称阴塔或阴床。因为水中的阳、阴离子杂质都要除去，所以一般将阳塔和阴塔串联使用，对水质要求高的还要增加混合塔，为了除去水中的悬浮物，在阳塔之前设有砂滤塔（或池），为了减轻阴塔的负担，在阴塔前加一个脱气塔，赶去水中的碳酸气。
    将普通水通过砂滤塔，即进人阳塔，阳塔中的阳离子交换树脂首先吸附水中的Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺等阳离子，然后把交换基团上可供交换的基团H＋解吸出来，这样，阳离子交换树脂上的氢离子与水中含的阳离子杂质交换了位置，阳离子杂质便被阳离子交换树脂吸附而除去。其离子交换方程式如下：

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    除去了阳离子的水再进入阴塔，阴塔中的阴离子交换树脂吸附水中的SO₄^2-、CI^-等阴离子，然后把交换基团上可供交换的基团OH^-解吸出来，这样，阴离子交换树脂上的氢氧根离子与水中含的阴离子杂质交换了位置，阴离子杂质便被树脂吸附而除去。其离子交换方程式如下：

    阳塔交换出的H+离子和阴塔交换出的OH^-离子便结合生成了水。
    最后将水通过混合塔，再次反应，便制得了纯水。
    离子交换法制纯水的原理，就是根据上述离子交换反应的方程式，利用离子交换树脂的交换作用，将水中的各种离子除去或减少到一定程度。
    六、检验所制出纯水的方法
    检验所制出纯水的方法如下。
    ①Ca²⁺、Mg²⁺离子的检验  取水lOmL,加氨-氯化按缓冲液1mL，加微量铬黑T指示剂，若不显蓝色为合格。
    ②S0₄^2-离子的检验取水lOmL,加氯化钡试剂几滴，若无白色沉淀，则表示无S0₄^2-离子。
    ③氯化物（Cl^-）的检验取水lOmL，加硝酸1滴酸化，再加硝酸银试液2-3滴，若不发生白色浑浊则表示为合格。
    ④酸碱度的检验取水lOmL，加甲基红指示剂2-3滴，若不显红色，则表示不显酸性；另取水lOmL,加澳赓香草酚蓝指示剂2-3滴，若不显蓝色，则表示不显碱性。
    ⑤电阻率的测定①（①：有些用水单位对水质要求不高者，电阻率和酸、碱度可以免检）用微安表检验，若电阻率大于300kΩ为合格。
    七、树脂要再生的原因
    在制取纯水的过程中，水中阴、阳离子分别与阴、阳离子交换树脂上的OH^-或H^＋基团进行交换。当离子交换树脂上的OH^-和H^＋基团被交换“完了”之后，树脂便失去了继续交换水中阴、阳离子的能力，即树脂吸附杂质离子已经达到饱和状态，此时称之为失效。当离子交换树脂失效后，再将离子交换树脂上吸附的阴、阳离子除去，交换上新的OH^-或H^＋基团，使其重新获得交换水中阴、阳离子的能力，这就称为树脂的再生。
    八、树脂再生的方法
    树脂的再生包括反洗、再生、正洗三个过程。
    1．反洗
    反洗的目的主要是冲除树脂层中的气泡、悬浮杂质和积块，以保证再生液自由地通过树脂层，提高再生效率。反洗的水自下而上地通过树脂层，依靠水力将树脂层抖松。进水流速由小变大，直至树脂层中无气泡留存为终点。
    2.再生（还原）
    再生剂盐酸可用水稀释，浓度为5％左右。氢氧化钠一定要用纯水或阳床水稀释，以免产生氢氧化镁等沉淀污染离子交换树脂，浓度为2％左右。
    再生剂的流动方向，可以自上而下（称之为顺流再生），也可以自下而上（称之为逆流再生）。两种方法相比较，逆流再生有许多优点。采用逆流再生时，再生剂耗量少，出水质量好，是比较新的再生工艺。再生时间一般认为阳塔30-60min，阴塔60-90min。[next]
    若使用混合塔，其塔中的树脂由阳、阴两种树脂混合而成。其再生的方法可用市售洁净的食盐配成10％ NaCl溶液，加人混合塔浸泡2h,这样，阳离子交换树脂就会沉底，阴离子交换树脂则会浮起，然后把分层的树脂分别取出，再分别按上述方法加酸或碱进行处理，处理好后，再使其混合，即可重新装塔使用。
    3.正洗
    树脂经过再生之后，交换柱中留存的再生剂必须淋洗干净。最初的正洗是再生的继续，速度不能超过再生的速度。当再生剂洗净后，可增加流速，直至接近操作流速。在正洗过程中，排出的水的质量会不断提高，当出来的质量达到要求，即表示正洗的终点已到。
    正洗的水源，对阳离子交换树脂来说，可用自来水；对阴离子交换树脂来说，至少要用阳塔水进行正洗。若采用自来水，则易生成碳酸钙和氢氧化镁沉淀而污染树脂。
    再生是用稀酸或稀碱送人失效的交换树脂中，利用酸、碱中的H^＋和OH^-离子分别将吸附的阳、阴离子重新置换出来。再生过程实际上是交换反应的逆过程。其反应式如下：

    从再生反应式可以看出，失效树脂再生后，树脂重新获得可交换的H^＋和OH^-基团，从而恢复交换离子的能力。但实际上再生只能将树脂吸附的阳、阴离子部分或大部分取代出来。因而再生后，交换容量都比原来的低，只能通过不断改进，尽量提高再生程度。
    九、贮存树脂需要注意的事项
    树脂在长期贮存时，应使其变成中性盐型，并用纯水洗。为了防止树脂干燥时破裂，树脂最好浸泡在蒸煮过的水中。如果在贮存过程中，由于某种原因，使树脂脱水，此时切勿使用清水浸泡。因为这样会造成树脂的突然急剧膨胀而破碎。一般应先在饱和的氯化钠溶液中浸泡，而后再逐步稀释食盐溶液，恢复树脂浸泡于蒸煮过的水中。
    树脂贮存温度不宜过高，应不大于40℃。
    树脂贮存在0℃以下时，要防止树脂的冻结崩裂。可将树脂贮存在食盐溶液中，食盐溶液的浓度可根据具体气温条件而决定（见下表）。