一种电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法
【专利摘要】本发明为无机化合物加工领域，具体涉及到一种电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法。该方法包括以下特征：以DSA钛电极为阳极，以硫酸或者盐酸为阳极液，以石墨、多孔碳材料、铅或铅银合金为阴极，含有四价钛的酸性水溶液为阴极液，阳极液与阴极液之间用阳离子交换膜隔开，通入直流电进行电解制备高浓度低价钛水溶液。本发明无需向四价钛溶液中添加还原剂，减少了原料成本，具有方法简单、设备寿命长，生产效率高，产品适用性广等优点。
【专利说明】一种电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无机化合物加工领域中钛化合物溶液的生产，尤其是涉及一种利用电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法。
【背景技术】
[0002]钛白粉是性能优异的白色颜料，广泛应用于涂料、塑料、造纸、油墨、橡胶、化学纤维和化妆品。颜料级钛白粉对其中杂质的含量有严格要求，特别是铁含量，一般要求窑下品中Fe2O3含量在50ppm以下。Fe3+在pH=2的条件下即开始水解,而Fe2+水解的pH值要高得多。为了避免铁杂质对钛液水解的不良影响，以及方便后续漂洗工序中除铁，只要确保水解钛液中有Ti3+存在，就能确保铁杂质以Fe2+形式存在于钛液中(Fe2+不易水解)。在传统硫酸法钛白生产中，一般通过向钛液中添加铁粉或铁屑，或者利用铝粉还原法制备Ti3+。这种制备Ti3+的方法虽然简单，但对整个体系来说，不仅增加了杂质含量，也增加了后续除杂和水处理的工作量，生产成本高，方法复杂。
[0003]中国专利201310097086.X提到了一种电解制备含低价钛水溶液的方法，该方法采用石墨为阳极，由于阳极的析氧反应，导致电极容易氧化破损、掉渣，影响阳极运行的稳定性并增加了设备损耗。中国专利93102312.2利用电解方式制备三价钛的甲磺酸溶液，不但成本高(甲磺酸价格远高于硫酸和盐酸)，而且因为含大量有机物不适于作为钛白粉行业的还原剂，产品的应用范围受到限制。美国专利4，206，021采用阴离子交换膜电解还原方法，与本专利的阳离子交换膜存在本质不同。而且其制备的钛液浓度比较低(小于2g/L)，生产效率不高。如果制备较高浓度的低价钛水溶液，在使用时按照需要稀释成合适的浓度，不但使用更方便，而且占用更少的储存空间。高浓度的四价钛溶液还可以支持更大的电流密度，从而获得更闻的生广效率。
[0004]综上所述，现有的低价钛溶液生产方法普遍存在生产成本高、效率低、使用受限等缺点。因此，开发一种新型的高浓度低价钛水溶液制备方法有着十分重要的现实意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种通过电解还原方式制备高浓度低价钛水溶液的方法，采用本方法可以获得高浓度的低价钛水溶液，工艺简单，设备寿命长，产品用途广泛。
[0006]为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案:
[0007]—种电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法，以DSA钛电极为阳极，采用直流电进行电解制备高浓度低价钛水溶液；
[0008]以TiO2计，所述高浓度低价钛水溶液中Ti3+浓度不低于20g/L。
[0009]优选地，所述方法中采用硫酸或盐酸作为阳极液。
[0010]优选地，所述方法中采用石墨电极、多孔碳材料电极、铅电极或铅银合金电极作为阴极。进一步优选地，所述多孔碳材料电极中的碳材料为碳毡或活性炭
[0011]优选地，所述方法中采用含四价钛的酸性水溶液作为阴极液，所述含四价钛的酸性水溶液的酸性由硫酸或者盐酸提供。
[0012]优选地，所述含四价钛的酸性水溶液中四价钛的浓度不低于20g/L，更优选的，不低于80g/L。
[0013]优选地，所述方法中阳极液与阴极液之间用阳离子交换膜隔开。
[0014]本发明的原理是:
[0015]含有四价钛的酸性水溶液在电解槽阴极室电解还原过程中，阴极发生如下电极反应:Ti02++2H++e — Ti3++H20
[0016]阳极发生如下的电极反应:
[0017]2H20-4e = O2 f +4H+ (硫酸溶液)
[0018]2Cr_2e=Cl2 f (盐酸溶液)
[0019]电解还原结束后，阴极区的低价钛水溶液呈紫黑色,该低价钛水溶液可以用于钛白生产、钛产品制造或者有机物还原等。
[0020]本发明无需向 四价钛溶液中添加还原剂，减少了原料成本，具有方法简单、设备寿命长，生产效率高，产品适用性广等优点。
【具体实施方式】
[0021 ] 下面以【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0022]实施例1
[0023]在一个阴极室和阳极室之间用阳离子交换膜隔开的电解槽中，以DSA钛电极为阳极，以硫酸为阳极液。石墨电极为阴极，配制含有硫酸的硫酸钛溶液作为阴极液，其中四价钛浓度为330g/L (以TiO2计)。恒流电解Ih后得到的低价钛水溶液浓度为48.9g/L (以TiO2 计)。
[0024]实施例2
[0025]在一个阴极室和阳极室之间用阳离子交换膜隔开的电解槽中，以DSA钛电极为阳极，以硫酸为阳极液。铅板为阴极，配制含有硫酸的硫酸钛溶液作为阴极液，其中四价钛浓度为20g/L (以TiO2计)。恒压电解2h后得到的低价钛水溶液浓度为20g/L (以TiO2计)。
[0026]实施例3
[0027]在一个阴极室和阳极室之间用阳离子交换膜隔开的电解槽中，以DSA钛电极为阳极，以盐酸为阳极液。铅银合金电极为阴极，配制含有硫酸的硫酸钛溶液作为阴极液，其中四价钛浓度为23.3g/L (以TiO2计)。恒流电解2h后得到的低价钛水溶液浓度为23.2g/L(以 TiO2 计)。
[0028]实施例4
[0029]在一个阴极室和阳极室之间用阳离子交换膜隔开的电解槽中，以DSA钛电极为阳极，以盐酸为阳极液。石墨电极为阴极，阴极液为四氯化钛的水溶液，四价钛浓度为100g/L，由于氯化钛自然水解产生盐酸，溶液本身呈酸性，因此无需额外加酸。恒流电解2h后得到的低价钛水溶液浓度为90g/L (以TiO2计)。
[0030]实施例5
[0031]在一个阴极室和阳极室之间用阳离子交换膜隔开的电解槽中，以DSA钛电极为阳极，以盐酸为阳极液。碳毡(属于多孔碳材料)为阴极，阴极液为四氯化钛的水溶液，四价钛浓度为80g/L(以TiO2计)。恒流电解4h后得到的低价钛水溶液浓度为60g/L(以TiO2计)。
[0032]实施例6
[0033]在一 个阴极室和阳极室之间用阳离子交换膜隔开的电解槽中，以DSA钛电极为阳极，以盐酸为阳极液。活性炭(属于多孔碳材料)为阴极，阴极液为四氯化钛的水溶液，四价钛浓度为120g/L (以TiO2计)。在新鲜阴极液连续流入阴极室的情况下，通过恒流电解可以持续获得浓度为110g/L (以TiO2计)的低价钛水溶液。
【权利要求】
1.一种电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法，其特征在于，以DSA钛电极为阳极，采用直流电电解制备高浓度低价钛水溶液； 以TiO2计，所述高浓度低价钛水溶液中Ti3+浓度不低于20g/L。
2.如权利要求1所述的电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法，其特征在于，所述方法中采用硫酸或盐酸作为阳极液。
3.如权利要求1所述的电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法，其特征在于，所述方法中采用石墨电极、多孔碳材料电极、铅电极或铅银合金电极作为阴极。
4.如权利要求3所述的电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法，其特征在于，所述多孔碳材料电极中多孔碳材料为碳毡或活性炭。
5.如权利要求1所述的电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法，其特征在于，所述方法中采用含四价钛的酸性水溶液作为阴极液。
6.如权利要求5所述的电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法，其特征在于，所述含四价钛的酸性水溶液的酸性由硫酸或者盐酸提供。
7.如权利要求5或6所述的电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法，其特征在于，以TiO2计，所述含四价钛的酸性水溶液中四价钛浓度不低于20g/L。
8.如权利要求7所述的电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法，其特征在于，以TiO2计，所述含四价钛的酸性水溶液中四价钛浓度不低于80g/L。
9.如权利要求1所述的电解还原制备高浓度低价钛水溶液的方法，其特征在于，所述方法中阳极液与阴极液之间用阳离子交换膜隔开。
【文档编号】C25B1/00GK103668302SQ201310676517
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】余志辉, 齐涛, 张绘, 贾志军, 杨轩, 薛天艳, 初景龙 申请人:中国科学院过程工程研究所