环境友好低成本的工业碳酸锆生产方法与流程

本发明是一种环境友好低成本的工业碳酸锆的生产方法。属于锆的化合物制备方法。

背景技术：

锆是德国化学家卡拉普罗特(martinheinrichkaproth)于1789年首次在锆英石(zircon)中发现的，并制备了二氧化锆。

碳酸锆zr2o(co3).nh2o，亦称为碱式碳酸锆zro2co2·nh2o或称碳酸氧锆。是一种重要的锆化合物，广泛用于功能陶瓷、结构陶瓷、化妆品止汗剂、汽车尾气净化催化剂、造纸耐水交联剂、油漆油墨催干剂，同时也是生产超细二氧化硅较为经济的原材料。

碳酸锆液相分步沉淀合成法具有工艺控制较简单，产品质量稳定，活性较好等优点，被广泛采用。液相分步沉淀合成法工艺是以氧氯化锆为起始原料，首先将其配制成一定浓度的水溶液，在溶液中添加浓硫酸或硫酸钠，加热水解，生成碱式硫酸锆，然后，加入碳酸钠溶液，将其转化为碳酸锆产品。其反应、如下：

zrocl2+h2so4→zroso4+hcl

zroso4+naco3→zroco3+na2so4

生产过程中，各步骤原料溶液的配制用无离子水、中间产品的制浆用无离子水、特别是中间体碱式硫酸锆、碳酸锆粗品以及最终产品碳酸锆都用无离子水洗涤，产生大量的洗涤水及过滤母液，每吨产品耗用无离子水超过15吨。现有技术中，碳酸锆生产工段产生的废水均未回收利用，无离子水携带过量的原料、部分中间产品及副产品和最终产品等化学品全部一次排放。造成无离子水和部分原料的流失，导致生产成本居高不下。

具体来讲，现有技术中的工业碳酸锆生产工艺存在如下不足：

1.生产过程中，各步骤原料溶液的配制、中间产品的洗涤后制浆全部使用无离子水，导致无离子水消耗量过大。

2.粗品碳酸锆工段中排放的碳酸锆粗品洗涤水中，含有大量的硫酸盐和纯碱，未得到回收利用而全部排放。导致大量无离子水和洗涤水中携带的硫酸钠及碳酸钠化学品的资源浪费，也增加了水处理工段的负荷。

3.碳酸锆产品工段排放的碳酸锆洗涤水及过滤母液，未得到回收利用而全部排放。导致无离子水和其携带的化学品的流失，也增加了水处理工段的负荷。

以上看来，在制备碳酸锆生产过程中产生、排放大量的工业废水，包括洗涤水和洗涤后物料真空吸滤或离心甩干母液。不经回收利用直接排放，既浪费资源又污染环境，同时也提高了生产成本。急待寻求解决方案。现有技术中还尚未见到理想的回收利用方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种将工业碳酸锆生产过程中，碳酸锆产品工段和粗品碳酸锆工段产生的洗涤水及过滤母液收集，作为碱式硫酸锆中间体洗涤、制浆及原料溶解用水，完全替代无离子水，多次循环利用的低成本环保型工业碳酸锆的生产方法。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：

本发明的环境友好低成本的工业碳酸锆的生产方法，采用液相分步沉淀工艺，以氧氯化锆为起始原料，氧氯化锆首先与硫酸或硫酸盐发生水解反应，生成碱式硫酸锆中间体，然后碱式硫酸锆与碳酸钠反应生成碳酸锆粗品，再经酸化、洗涤、过滤后制得；其特征在于将粗品碳酸锆工段和产品碳酸锆工段产生的洗涤水和过滤母液，用于碱式硫酸锆工段，替代无离子水，用作碱式硫酸锆洗涤用水和原料氧氯化锆配制用水以及粗品碳酸锆工段中的原料碱式硫酸锆制浆用水；具体操作方法如下：

①.所述产品碳酸锆工段产生的洗涤水，全部收集，用于碱式硫酸锆中间体第一级洗涤；

②.所述粗品碳酸锆工段产生的洗涤水，全部收集，用于碱式硫酸锆中间体第二级洗涤；或用于用于粗品碳酸锆工段的原料中间体碱式硫酸锆制浆用以替代无离子水；

③.所述粗品碳酸锆工段产生的过滤母液，全部收集，用于碱式硫酸锆中间体第三级洗涤。

④.上述③中所述碱式硫酸锆中间体第三级洗涤后，排放的洗涤液，全部收集，用于起始原料氧氯化锆的溶解，完全替代无离子水来制备氧氯化锆水溶液。

本发明将粗品碳酸锆工段和产品碳酸锆工段产生的洗涤水和过滤母液，用于碱式硫酸锆工段，替代无离子水，用作碱式硫酸锆洗涤用水和原料氧氯化锆配制用水以及粗品碳酸锆工段中的原料碱式硫酸锆制浆用水；具有突出的实质性特点。

首先，本发明选择用产品碳酸锆工段产生的洗涤水，全部收集，用于碱式硫酸锆中间体第一级洗涤；是因为产品碳酸锆工段产生的洗涤水只含有氯化钠(0.14％)，其他离子浓度都小于20ppm。但氯化钠不参与碱水硫酸锆反应，不会对洗涤效果造成负面影响。

第二，本发明选择粗品碳酸锆工段产生的洗涤水，全部收集，用于碱式硫酸锆中间体第二级洗涤；或用于用于粗品碳酸锆工段的原料中间体碱式硫酸锆制浆用以替代无离子水；是因为粗品碳酸锆工段产生的洗涤水，只含硫酸钠(0.18％)、氯化钠(0.12％)、碳酸钠(0.54％)，其他离子浓度都小于20ppm。但硫酸钠、氯化钠不与碱式硫酸锆反应，只有碳酸钠与碱式硫酸锆所吸附的酸反应，有利于物料洗涤。

第三，碱式硫酸锆与碳酸钠反应生成碳酸锆粗品的反应中，碳酸钠必须过量一部分，才能将硫酸根更彻底的置换出来。本发明选择用粗品碳酸锆工段产生的过滤母液，全部收集，用于碱式硫酸锆中间体第三级洗涤。是因为粗品碳酸锆工段产生的过滤母液，只含硫酸钠(6.94％)、氯化钠(0.42％)、碳酸钠(3.31％)，其他离子浓度都小于20ppm。但硫酸钠、氯化钠不与碱式硫酸锆反应，只有碳酸钠与碱式硫酸锆所吸附的酸反应，有利于物料洗涤，甚至能将碱式硫酸锆洗成中性，节省调碱反应中中和碱式硫酸锆吸附酸所消耗的碳酸钠。

另外，本发明将碱式硫酸锆中间体第三级洗涤后，排放的洗涤液，全部收集，用于起始原料氧氯化锆的溶解，完全替代无离子水来制备氧氯化锆水溶液。是因为碱式硫酸锆中间体第三级洗涤后，排放的洗涤液(含硫酸钠6.38％、氯化钠2.86％，其他离子浓度都小于20ppm)收集起来，用于溶解氧氯化锆。常温下硫酸钠与氧氯化锆不反应，氯化钠也不参与反应，但升温后硫酸钠却又能与氧氯化锆完全反应。这样，又能将绝大部分硫酸根通过碱式硫酸锆带到调碱反应中，从而达到循环利用的目的。

本发明的目的还可以通过如下措施来达到：

本发明的的环境友好低成本的工业碳酸锆的生产方法，其特征在于①中所述的碱式硫酸锆中间体第一级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆的洗涤水＝1:2.5～3。

是优选的技术方案。

本发明的环境友好低成本的工业碳酸锆的生产方法，其特征在于②中所述的碱式硫酸锆中间体第二级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆粗品洗涤水＝1:2.5～3。

是优选的技术方案。

本发明的环境友好低成本的工业碳酸锆的生产方法，其特征在于③中所述的碱式硫酸锆中间体第三级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆粗品滤干母液＝1:3～4。

是优选的技术方案。

本发明的环境友好低成本的工业碳酸锆的生产方法，用于工业碳酸锆生产工艺，生产出的碳酸锆产品达到如下技术指标：

达到了碳酸氧锆产品的质量标准。

本发明的环境友好低成本的工业碳酸锆的生产方法请求保护的技术方案相比现有技术，能够产生如下积极效果：

1.提供了一种将工业碳酸锆生产过程中，碳酸锆产品工段和粗品碳酸锆工段产生的洗涤水及过滤母液收集，作为碱式硫酸锆中间体洗涤、制浆及原料溶解用水，完全替代无离子水，多次循环利用的低成本环保型工业碳酸锆的生产方法。

2.来自粗品碳酸锆工段和产品碳酸锆工段的废水用于碱式硫酸锆工段，替代无离子水，用作碱式硫酸锆洗涤用水和原料氧氯化锆配制用水以及粗品碳酸锆工段中的原料碱式硫酸锆制浆用水。每吨碳酸锆产品无离子水消耗降低到6.8吨以下，相当于现有技术中的无离子水消耗量的45％以下。

3.粗品碳酸锆工段中排放的碳酸锆粗品洗涤水中，含有的硫酸盐和纯碱，大部分得到回收利用，原料成本明显降低。较相比现有技术的方法，节省无水硫酸钠89.8％以上，节省碳酸钠32.8％以上，合计降低产品原材料消耗约342元/吨。

4.碳酸锆产品工段排放的碳酸锆洗涤水及过滤母液，大部分得到回收利用。大部分无离子水和其携带的化学品回收利用，大幅度降低了水处理装置的负荷。

附图说明

图1本发明的环境友好低成本的工业碳酸锆的生产方法工艺流程示意图

图2是现有技术的碳酸锆生产方法排放的废水工艺流程示意图

图中

洗涤水1是碱式硫酸锆工段排放的洗涤水

洗涤水2是粗品碳酸锆工段排放的洗涤水

洗涤水3是产品碳酸锆工段排放的洗涤水

母液1是碱式硫酸锆工段排放的过滤母液

母液1是粗品碳酸锆工段排放的过滤母液

母液1产品碳酸锆工段排放的过滤母液

具体实施方式

本发明下面将结合实施例作进一步详述：

实施例1

本发明的一种环境友好低成本的工业碳酸锆的生产方法

来自粗品碳酸锆工段和产品碳酸锆工段的废水用于碱式硫酸锆工段，替代无离子水，用作碱式硫酸锆洗涤用水和原料配制用水以及粗品碳酸锆工段中的原料碱式硫酸锆制浆用水，具体操作步骤如下：

①.碱式硫酸锆中间体第一级洗涤

碳酸锆产品工段排放的碳酸锆洗涤水，全部收集，用于中间体碱式硫酸锆工段中的碱式硫酸锆中间体第一级洗涤；

碱式硫酸锆中间体第一级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆的洗涤水＝200:500。

②.碱式硫酸锆中间体第二级洗涤

粗品碳酸锆工段中排放的碳酸锆粗品洗涤水，全部收集，用于碱式硫酸锆工段中的碱式硫酸锆中间体第二级洗涤；

碱式硫酸锆中间体第二级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆粗品洗涤水＝200:500。

③.碱式硫酸锆中间体第三级洗涤

粗品碳酸锆工段排放的碳酸锆粗品过滤母液，全部收集，用于碱式硫酸锆工段中的碱式硫酸锆中间体第三级洗涤。

碱式硫酸锆中间体第三级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆粗品滤干母液＝200:600。

④.氧氯化锆水溶液制备

碱式硫酸锆中间体第三级洗涤后所排放的废水，全部收集，用于起始原料氧氯化锆的溶解，完全替代无离子水来制备氧氯化锆水溶液。

经测定收集的碱式硫酸锆中间体第三级洗涤后所排放的废水中，硫酸钠含量6.94wt％,。每千克氧氯化锆，用第三级洗涤后所排放的废水3.42升溶解。制备成氧氯化锆溶液。

⑤.碱式硫酸锆中间体制备

a.在碱式碳酸锆反应釜中，搅拌下将步骤④制备的氧氯化锆溶液升温至80℃，按照拟定配方补加无水硫酸钠0.03千克，继续升温至98℃，并在98℃温度下保温继续反应1小时。然后降温至60℃，真空过滤，滤饼备洗涤。

b.碱式硫酸锆中间体洗涤

按照步骤①②③的方法洗涤上述a项制备的碱式硫酸锆滤饼，备碳酸锆粗品制备；

⑥.粗品碳酸锆制备

a.碱式硫酸锆制浆

将来自步骤⑤的碱式硫酸锆滤饼投入粗品碳酸锆反应釜中，搅拌下，用粗品碳酸锆工段中排放的碳酸锆粗品洗涤水，替代无离子水将中间体碱式硫酸锆制成料浆。固液质量比例控制在200:500。

b.粗品碳酸锆制备

搅拌下，在上述a项制备好的碱式硫酸锆制成料浆中，加入浓度为23wt％的碳酸钠溶液，反应，将料液的ph值调整至7.8。然后，升温至65℃，并在65℃温度下，保温反应半小时。过滤制得粗品碳酸锆。反应过程中，消耗碳酸钠0.205千克，产出母液3.28升，小于加入的3.42升，能够将粗品碳酸锆过滤产生的母液全部回用。

⑦.碳酸锆产品的制备

步骤⑥制备的粗品碳酸锆用盐酸酸化，调节料液的ph值在3.5～4.5之间。过滤，滤饼用无离子水洗涤合格后，离心甩干。制得碳酸锆产品0.868千克。

经换算，生产1千克碳酸锆产品，消耗无水硫酸钠0.032千克、碳酸钠0.236千克。现有技术中，生产1吨碳酸锆产品消耗无水硫酸钠0.314吨(市场价格按600元/吨计算)、碳酸钠0.351吨(市场价格按1500元/吨计算)。本发明的方法相比现有技术，节省无硫酸钠89.8％，节省碳酸钠32.8％，合计降低产品原材料消耗约342元/吨。

生产出的碳酸氧锆达到如下技术指标：

达到了碳酸氧锆产品的质量标准。

实施例2

来自粗品碳酸锆工段和产品碳酸锆工段的废水用于碱式硫酸锆工段，替代无离子水，用作碱式硫酸锆洗涤用水和原料配制用水以及粗品碳酸锆工段中的原料碱式硫酸锆制浆用水，具体操作步骤如下：

①.碱式硫酸锆中间体第一级洗涤

碳酸锆产品工段排放的碳酸锆洗涤水，全部收集，用于中间体碱式硫酸锆工段中的碱式硫酸锆中间体第一级洗涤；

碱式硫酸锆中间体第一级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆的洗涤水＝200:500。

②.碱式硫酸锆中间体第二级洗涤

粗品碳酸锆工段中排放的碳酸锆粗品洗涤水，全部收集，用于碱式硫酸锆工段中的碱式硫酸锆中间体第二级洗涤；

碱式硫酸锆中间体第二级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆粗品洗涤水＝200:500。

③.碱式硫酸锆中间体第三级洗涤

粗品碳酸锆工段排放的碳酸锆粗品过滤母液，全部收集，用于碱式硫酸锆工段中的碱式硫酸锆中间体第三级洗涤。

碱式硫酸锆中间体第三级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆粗品滤干母液＝200:700。

④.氧氯化锆水溶液制备

碱式硫酸锆中间体第三级洗涤后所排放的废水，全部收集，用于起始原料氧氯化锆的溶解，完全替代无离子水来制备氧氯化锆水溶液。

经测定收集的碱式硫酸锆中间体第三级洗涤后所排放的废水中，硫酸钠含量6.88wt％,。每千克氧氯化锆，用第三级洗涤后所排放的废水3.42升溶解。制备成氧氯化锆溶液。

⑤.碱式硫酸锆中间体制备

a.在碱式碳酸锆反应釜中，搅拌下将步骤④制备的氧氯化锆溶液升温至80℃，按照拟定配方补加无水硫酸钠0.03千克，继续升温至98℃，并在98℃温度下保温继续反应1小时。然后降温至60℃，真空过滤，滤饼备洗涤。

b.碱式硫酸锆中间体洗涤

按照步骤①②③的方法洗涤上述a项制备的碱式硫酸锆滤饼，备碳酸锆粗品制备；

⑥.粗品碳酸锆制备

a.碱式硫酸锆制浆

将来自步骤⑤的碱式硫酸锆滤饼投入粗品碳酸锆反应釜中，搅拌下，用粗品碳酸锆工段中排放的碳酸锆粗品洗涤水，替代无离子水将中间体碱式硫酸锆制成料浆。固液质量比例控制在200:500。

b.粗品碳酸锆制备

搅拌下，在上述a项制备好的碱式硫酸锆制成料浆中，加入浓度为23wt％的碳酸钠溶液，反应，将料液的ph值调整至7.8。然后，升温至65℃，并在65℃温度下，保温反应半小时。过滤制得粗品碳酸锆。反应过程中，消耗碳酸钠0.197千克，产出母液3.25升，小于加入的3.42升，能够将粗品碳酸锆过滤产生的母液全部回用。

⑦.碳酸锆产品的制备

步骤⑥制备的粗品碳酸锆用盐酸酸化，调节料液的ph值在3.5～4.5之间。过滤，滤饼用无离子水洗涤合格后，离心甩干。制得碳酸锆产品0.872千克。

经换算，生产1千克碳酸锆产品，消耗无水硫酸钠0.034千克、碳酸钠0.224千克。现有技术中，生产1吨碳酸锆产品消耗无水硫酸钠0.314吨(市场价格按600元/吨计算)、碳酸钠0.351吨(市场价格按1500元/吨计算)。本发明的方法相比现有技术，节省无硫酸钠89.2％，节省碳酸钠36.2％，合计降低产品原材料消耗约359元/吨。

生产出的碳酸氧锆达到如下技术指标：

达到了碳酸氧锆产品的质量标准。

实施例3

来自粗品碳酸锆工段和产品碳酸锆工段的废水用于碱式硫酸锆工段，替代无离子水，用作碱式硫酸锆洗涤用水和原料配制用水以及粗品碳酸锆工段中的原料碱式硫酸锆制浆用水，具体操作步骤如下：

①.碱式硫酸锆中间体第一级洗涤

碳酸锆产品工段排放的碳酸锆洗涤水，全部收集，用于中间体碱式硫酸锆工段中的碱式硫酸锆中间体第一级洗涤；

碱式硫酸锆中间体第一级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆的洗涤水＝200:500。

②.碱式硫酸锆中间体第二级洗涤

粗品碳酸锆工段中排放的碳酸锆粗品洗涤水，全部收集，用于碱式硫酸锆工段中的碱式硫酸锆中间体第二级洗涤；

碱式硫酸锆中间体第二级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆粗品洗涤水＝200:500。

③.碱式硫酸锆中间体第三级洗涤

粗品碳酸锆工段排放的碳酸锆粗品过滤母液，全部收集，用于碱式硫酸锆工段中的碱式硫酸锆中间体第三级洗涤。

碱式硫酸锆中间体第三级洗涤的物料质量配比是：以固体量计的碱式硫酸锆：碳酸锆粗品滤干母液＝200:800。

④.氧氯化锆水溶液制备

碱式硫酸锆中间体第三级洗涤后所排放的废水，全部收集，用于起始原料氧氯化锆的溶解，完全替代无离子水来制备氧氯化锆水溶液。

经测定收集的碱式硫酸锆中间体第三级洗涤后所排放的废水中，硫酸钠含量6.84wt％,。每千克氧氯化锆，用第三级洗涤后所排放的废水3.42升溶解。制备成氧氯化锆溶液。

⑤.碱式硫酸锆中间体制备

a.在碱式碳酸锆反应釜中，搅拌下将步骤④制备的氧氯化锆溶液升温至80℃，按照拟定配方补加无水硫酸钠0.032千克，继续升温至98℃，并在98℃温度下保温继续反应1小时。然后降温至60℃，真空过滤，滤饼备洗涤。

b.碱式硫酸锆中间体洗涤

按照步骤①②③的方法洗涤上述a项制备的碱式硫酸锆滤饼，备碳酸锆粗品制备；

⑥.粗品碳酸锆制备

a.碱式硫酸锆制浆

将来自步骤⑤的碱式硫酸锆滤饼投入粗品碳酸锆反应釜中，搅拌下，用粗品碳酸锆工段中排放的碳酸锆粗品洗涤水，替代无离子水将中间体碱式硫酸锆制成料浆。固液质量比例控制在200:500。

b.粗品碳酸锆制备

搅拌下，在上述a项制备好的碱式硫酸锆制成料浆中，加入浓度为23wt％的碳酸钠溶液，反应，将料液的ph值调整至7.8。然后，升温至65℃，并在65℃温度下，保温反应半小时。过滤制得粗品碳酸锆。反应过程中，消耗碳酸钠0.192千克，产出母液3.22升，小于加入的3.42升，能够将粗品碳酸锆过滤产生的母液全部回用。

⑦.碳酸锆产品的制备

步骤⑥制备的粗品碳酸锆用盐酸酸化，调节料液的ph值在3.5～4.5之间。过滤，滤饼用无离子水洗涤合格后，离心甩干。制得碳酸锆产品0.875千克。

经换算，生产1千克碳酸锆产品，消耗无水硫酸钠0.037千克、碳酸钠0.219千克。现有技术中，生产1吨碳酸锆产品消耗无水硫酸钠0.314吨(市场价格按600元/吨计算)、碳酸钠0.351吨(市场价格按1500元/吨计算)。本发明的方法相比现有技术，节省无硫酸钠88.2％，节省碳酸钠37.6％，合计降低产品原材料消耗约364元/吨。

生产出的碳酸氧锆达到如下技术指标：

达到了碳酸氧锆产品的质量标准。

以上三例平均节省89.1％的元明粉和35.5％的纯碱，降低产品原材料消耗约355元/吨。而且碱式硫酸锆工段没有使用无离子水，经车间水表统计比较，生产1吨本发明的碳酸锆产品无离子水耗用量由现有技术的15吨以上下降到6.8吨以下。