仲钨酸铵结晶制备进展.pdf
第5 5 卷第3 期 20 03 年8 月 有色金属 N O N F E R R O O SM E T A L S o l5 5 .N o3 A u g u s t 20 03 仲钨酸铵结晶制备进展 陈启元1 ,谭艳芝1 一,胡慧萍1 ,尹周澜1 1 .中南大学化学化工学院,长沙4 1 0 0 8 3 ;2 .广东药学院药学系,广州5 1 0 2 2 4 摘要介绍国内外制备鹄酸馈溶液、仲钨酸铵晶体及高纯仲钨艘铵的制备方法。提出超声波强化仲钨酸铵结晶过程的新 思路。 关键词材料台成与加工工艺;仲钨醴镀;综述 中国分类号T Q l 3 6 .1 3 ;T F S 0 32 4 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 I 2 0 0 3 0 3 0 0 3 0 0 5 仲钨酸铵 A P T 结晶的分子式是5 N I - 1 4 2 0 1 2 W n n H ,O ” 5 ,7 ,1 1 ,在水中的溶解度很 小,随着温度上升而稍有增大l 。仲钨酸铵结晶是 制备钨产品蓝色氧化钨、铵钨青铜、钨粉的主要中间 产物,它的形态结构在很大程度上影响钨产品的形 貌、性质。钨产品的粒度、松装密度与原料仲钨酸铵 有着依附关系L 2 - 4J 。含不同结晶水的仲钨酸铵所 制备的铵钨青铜,性能有很大差别。邸毓莹等“ o 研 究表明,以五水及七水仲钨酸铵制取的铵钨青铜性 能良好。但七水仲钨酸铵的生产工艺要求严格,而 五水仲钨酸铵的工艺条件易控制,生产流程稳定,钨 制品工业已广泛应用,为此以选择五水仲钨酸铵为 制取铵钨青铜的原料较为适宜。正因为仲钨酸铵 A P T 在很大程度上决定着钨产品的性能和质量, 并且随着对钨产品要求的提高,对仲钨酸铵结晶的 质量也相应提高了要求。 1 钨酸铵溶液制备 仲钨酸铰是由钨酸铵溶液结晶析出,因此钨酸 铵溶液的制备是重要的环节。目前我国钨酸铵溶液 的制备主要有传统法、溶剂萃取法、离子交换法,后 两种新方法近几年发展较快。萃取法和离子交换法 流程短,生产条件易控制,能耗低,但这两种方法的 共同弱点是对钼分离效果差。 1 .1 传统法‘”7 』 我国很多生产厂家应用传统法制备钨酸铵溶 液。传统法的优点是工艺简单,容易操作。缺点是 流程长,能耗高。将钨酸钠 N a z W 0 4 溶液酸分解, 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 9 9 3 4 0 8 0 收稿日期2 0 0 20 7 0 9 作者简介谭f 娃_ t 9 7 5 一 ,女 胡南涟源市 ,助教。硕士 得到适宜粒度的钨酸,然后氨溶。为使钨酸溶解,先 要制备钨酸浆。溶解钨酸时,先用7 0 ~8 0 ℃的软化 水将它调成密度为1 .6 0 ~1 .6 5 的钨酸浆,一般 l O O k g 钨酸用软化水1 3 5 k g ,并缓慢地加到不断搅拌 的氨水 2 5 %~2 8 % 中,温度控制5 0 ~6 0 ℃,钨酸 浆和氨水按1 l 的比例加人,溶液的游离氨控制在 2 0 ~3 0 9 /L ,密度控制在1 .2 5 ~l ,3 0 范围内,澄清 后过滤,滤液为析出仲钨酸铵的原液。在此过程中 可加入少量活性碳,用于过滤和除去氢氧化铁和硅 胶状物等。氨溶法中,氨水加入量及溶解温度对钨 酸铵溶液的S i /W 比影响很大,影响除杂【】f 7 J 。 有英国专利【6J ,把1 5 0 k g 钨酸和1 2 5 k g 水制成 钨酸浆,保持溶液p H 为7 的情况下,缓慢加入6 0 L 2 5 %的氨水,在8 0 ℃下搅拌反应i h 。在制钨酸浆 时,加水量不同,对以后的仲钨酸铵结晶也有影响, 钨酸浆越稀,结晶颗粒越大,则水溶性仲钨酸铵较 多,钨回收率低。 1 .2 溶剂萃取法‘8 _ l o J 我国2 0 世纪7 0 年代初期开始研究采用有机胺 萃取剂来萃取钨,现在工业生产上已取得广泛应用。 溶剂萃取法具有生产周期短,工艺稳定,质量高,操 作安全方便,成本低等优点,适用范围广,既可以处 理各类矿物,又能处理钨渣科f 9 ] 。溶剂萃取法可以 取代经典流程中的白钨沉淀、酸分解和氨水溶解作 业,不仅可提高钨回收率,还易于实现生产过程的连 续化、自动化。 溶剂萃取法一般分为萃取、洗涤、反萃取三个阶 段。将净化后的钨酸钠溶液在硫酸体系中保持p H 为1 .5 、W 0 3 含量5 0 ~1 0 0 9 /L ,用2 %~1 0 %的叔胺 一煤油萃取剂萃取,萃取反应按下式进行。 4 R 3 N H H S 0 4 。% W 1 2 0 3 9 2 二 2 H ‘ 万方数据 苎三L 堕塞至竺 竺塑竺壁堕曼型鱼垄垦~ 一 一 R 3 N H 4H 2 W 1 2 0 3 9 w 4 H S 0 4 。q 相互充分接触,静置分相后过滤,钨回收率达到 9 9%,负载有机相用氨水调至为,,再缓慢 加硫酸至为.5 ,在下搅拌2 h ,然后过滤, 再用心或苛性碱反萃取。这样可以解决萃取 过程中结晶沉淀的关键问题【”J ,反萃时反应按下式 进行。 [ 3 。’。,] 。 H 4 。。】 一 H 4 。’ ,,H 2 。。 H o 帕 萃取钨还可以用伯胺、仲胺或季铵碱,季铵碱是 一种较强的碱,在 时也能很好地萃取钨。 各国采用的叔胺萃钨工艺流程大同小异,这种工艺 不仅可处理由低品位矿所得的低浓度钨酸钠溶液, 也可处理浓度较高的 含 ~ 钨酸 钠溶液。 . 离子交换法i 1 “ 离子交换技术应用于工业比较早,通过离子交 换法制得钨酸铵溶液的化学成分能满足蒸发结晶工 序的要求,对,的吸附率达以上,磷、砷、硅 的去除效率达9 5 %以上.产品仲钨酸铵结晶的纯度 比较高。该法具有工艺流程短、设备简单、投资少等 工业应用上的优点,国外很多厂家采用离子交换法 生产钨酸铵溶液。 钨离子交换工艺分为吸附、负载洗柱、解吸、空 载洗柱四个过程。用苛性钠浸出钨精矿的浸出液 中,钨以 2 存在,磷、砷、硅分别呈P 0 4 ”、 A s 0 4 3 。、s i Q 2 一形态存在。由于钨酸根对强碱性阴 离子树脂的亲和力大于磷、砷、硅离子,所以在吸附 时有较高的选择性。先用离子交换树脂吸附钨酸钠 溶液中的钨,使,,和S i 等杂质随萃余液排 走,然后用N H 。c l 和H 3 - 把钨从树脂上解吸 下来,也可用氯化钠溶液解吸。吸附、解吸过程的反 应如下式所示。 一 e 媚 ’R 2 W 曲蜩 R 2 。 2 N H } a 目。 N H 4 2a q 通过吸附与解吸,可除去溶液中的杂质,得到很 纯的 N H 4 w 0 4 溶液n “J 。树脂的性能是影响离 子交换的主要因索。我国早期应用 强 碱性阴离子凝胶树脂,近来我国核工业部五所正在 试用一种w A 型强碱性阴离子大孔树脂,用于钨酸 钠溶液的钨、钼、磷、砷、硅分离,比强碱阴离子凝胶 树脂吸附钨容量高,除铝效果更好,目前已在钨工业 中得到广泛应用。 仲钨酸铵结晶 钨酸铵溶液不稳定,随氨的挥发,析出溶解度很 小的仲钨酸铵结晶。仲钨酸铵结晶通常有中和法、 结晶法、冷冻干燥法。最近有较简便的溶剂萃取法 和喷雾干燥法等新方法。喷雾干燥结晶新方法的具 体工艺未见报道,适宜制取含合金元素低的预合金 粉末,如w R e ,w ,T h ,w .C e 0 2 等合金。 . 中和法 在常温用盐酸中和 N 凰 w 0 4 溶液,便析出仲 钨酸铵结晶,化学反应见下式。进行酸中和时, 溶液密度应控制在. ~l ,m 3 , 盐酸浓度为l O %~2 0 %。为了防止溶液局部过酸 生成偏钨酸盐,应缓慢添加盐酸,且中和到 . ~7 .5 为止,再静置8 ~,溶液便有9 0 %~9 5 % 的仲钨酸铵结晶析出,待用去离子水洗涤后得到针 状的含1 1 个结晶水的仲钨酸铵结晶[ 2 ”] 。 1 2 N H 4 2 w 0 4 十 4 H 2 N H 4 2 0 ‘ O ,1 H ,O 和 用浓盐酸中和w 0 、含量 为 .%和N H 3 含量为5 .8 %的铸酸铵溶液时,得 刘含7 个结晶水的仲钨酸铵结晶] 。 用酸中和法制取仲钨酸铵,由于在常温条件下 中和,结晶体的粒度很细,不利于过滤和洗涤,故产 品含c 1 多,腐蚀设备,试剂消耗大,易带人杂质,且 金属钨的回收率低。 . 蒸发法 蒸发结晶一直受工业生产的青睐,因为操作简 单、成本低且粒度和质量稳定,仲钨酸铵结晶的纯度 可通过控制蒸发结晶率来保障。但蒸发结晶法所需 要的时间长,能耗太,生产周期长,且若要求产品纯 度高,结晶率就要控制得较低。 钨酸铵溶液加热时,氨浓度下降, H 4 。 溶液浓度逐渐增加,仲钨酸铵结晶析出。 1 2 N H 4 2 w 0 4 2 ‘3 ’2十 3 十 结晶温度低于5 0 ℃,析出带1 1 个结晶水的微细 白色针状仲钨酸铵结晶。当温度高于5 0 ℃, 浓 度高达,则析出的仲钨酸铵结晶带7 个结晶水。 如果浓度较低,在5 %~1 5 %之间,则于8 0 ~ 下析出片状带个结晶水的仲钨酸铵结晶[ “J 。 在工业生产上,蒸发结晶的程度一般根据溶液 中及产品所允许的含钼量而定。另外,蒸发结晶工 万方数据 有色金属 第5 5 卷 艺也因仲钨酸铵的用途而异,如生产钨丝用的仲钨 酸铵,通常采用夹套蒸汽加热的蒸发锅,蒸汽压力一 般控制在 0 .5 ~2 .0 1 0 5 P a 。还有一种夹套加热 的搅拌槽,其顶盖上装备了与真空系统连接的真空 管道,蒸发时维持真空度约1 0 .6 7 ~1 33 3 k P a ,也可 以从顶盖插人三根和从反应槽底部插入一根压缩空 气管,通入压缩空气。一边通压缩空气,一边抽真 空,以加速溶液中氨的排出【7 ’l “。为了加快蒸发过 程,大规模生产中常采用真空蒸发器,为了进一步强 化蒸发过程,缩短蒸发时间,也可以使用压缩空气鼓 泡以加速氨的排出。 蒸发法中也可把钨酸铵溶液先用六次甲基四胺 处理,再进行蒸发得到仲钨酸铵结晶[ “。把六次甲 基四胺加至钨酸铵溶液中,通常钨的含量可以从 5 9 /L 到2 0 0 9 /L 。混合溶液的p H 可以用硫酸调至 5 ~2 .0 ,调节p H 值时温度不能超过2 0 ℃,因为六次 甲基四胺在2 0 ℃以上分解。然后过滤,把滤液溶于 氨水中形成另一种古六次甲基四胺的钨酸铵溶液, 再在9 0 ~1 0 0 ℃下加热蒸发,当溶液只剩下原溶液 中2 5 %时,停止蒸发,得到仲钨酸铵结晶含有原液 的9 0 %的钨。此法的优点为钨酸铵溶液的浓度范 围广,金属钨回收率高。六次甲基四胺可以循环使 用,母液还可以回收利用。 2 .3 中和与蒸发相结合 中和法与蒸发法结合,结晶纯度较高,粒度易控 制,结晶速度快。首先将溶液在5 0 ~7 0 ℃的恒温水 浴中,蒸发1 ~2 h ,再用盐酸中和到p H 7 .0 ~7 .5 , 然后再蒸发至母液密度为1 .0 8 ~1 .1 0 9 /m L ,放料 冷却。这种方法可制得含5 个结晶水的仲钨酸铵结 晶‘“。也有直接在7 0 ℃下中和钨酸铵溶液至p H 6 .5 ~7 .5 ,边蒸发边中和,得到含7 个结晶水的仲钨 酸铵结晶【6J 。 2 .4 冷冻干燥法 将钨酸铵溶液液氮 1 2 ~3 体积 ,注射到预 先盛液氮的搪瓷盘中,稍加搅拌,将溶液注入完毕后 所获得的糊状产物迅速连同搪瓷盘移入干燥设备 内,在一定的真空度下升华除水,便得到白色无定形 结构且疏松的含儿个结晶水的A P T [ 1 , 7 , 1 2 , 1 5 ] 。 冷冻干燥法与其他结晶法相比具有独特的优点, 能得到均匀的细粉末或各种均匀的复合粉末如w R e ,W - C u 粉等,能较好地控制成品的杂质和成分。 2 .5 溶剂萃取法““ 溶剂萃取法是通过控制萃取相比与萃余液酸度 等来得到仲钨酸铵结晶,结晶转化率较高,产品纯度 高。另外母液可并人料液中循环使用,反萃液可反 复使用。此法可大大缩短生产周期,降低能耗和试 剂消耗量,但一次性投资较多。 萃取时,一般控制钨酸铵料液p H 大于9 ,W 0 3 浓度在1 0 0 ~2 0 0 9 /L 。将料液与萃取剂E P A 8 81 或E N A8 7 1 混合振荡,把N H 4 从料液中萃取 出来,使料液p H 值下降,控匍萃余液p H 6 ~7 ,静 置分相后,把萃余液在6 0 ℃煮解5 h ,便可制得仲钨 酸铵结晶,结晶率高达9 6 %。 3 高纯仲钨酸铵制备 生产掺杂钨丝和钨合金丝所用的仲钨酸铵结晶 粉末,每种杂质含量不应超过2 1 0 一。其他深度 加工钨产品的质量也直接受仲钨酸铵质量的影响。 因此要制得仲钨酸铵结晶的高纯产品,以满足工业 生产的需要。目前国内外制备高纯仲钨酸铵结晶有 重结晶法、电解法等。 3 .I 重结晶法 美国有专利【1 7o 介绍,把3 0 0 9 仲钨酸铵原料在 1 2 0 ℃下完全溶于1 0 0 0 m L4 .9 %的氨水中,恒温 2 h 。溶液沸腾至8 1 %的钨结晶时,取晶体样品分 析,并过滤把晶体重新溶解在氨水中,重复操作。再 次至8 1 %的钨结晶时,停止结晶,分析样品。A P T 晶种与两次样品的分析见表1 。结果表明,经重结 晶后,钠、砷、铁、氟和磷含量明显降低,A P T 纯度明 显提高。 表1 重结晶的样品分析/1 0 “ T a b t e1C o n s t i t u e l l t so fr e _ c r y s t a l l i z a t i o ns a m p l e /1 0 6 成分N 8 4 2 l A s 5 4 5 F e 6 2 1 A P T 晶种 一次结晶 二次结晶 该法的优点是可以直接在氨水中溶解和重结 晶,工艺简单。A P T 的纯度可以靠每次溶解一结晶 循环过程重结晶比率和循环次数控制。一般来说, 每增加一个循环就会相应地提高产品的纯度。 国内也有用氨水溶解仲钨酸铵 A P T 制备高纯 仲钨酸铵的文献报道【l ⋯,只是在溶解前先把A P T 晶体进行热离解。以便于仲钨酸铵溶于氨水中。将 纯度不够高的仲钨酸铵结晶,放在非还原性气氛中 于2 5 0 ~3 5 0 ℃下加热,或者在真空中于5 0 ~1 5 0 ℃ 加热,仲钨酸铵结晶离解,氨逸出,生成高活性易溶 于水的无定形灰棕色含水氧化钨化合物 w 0 3 zH 2 0 。热离解作业在管式回转炉中进行,离解 万方数据 塑 塑~堕璺至竺 生塑塑壁堕曼型鱼兰垦 翌一 时问l h 。然后氨溶,再澄清过滤,滤液回收处理。 得到的钨酸铵溶液蒸发结晶,洗涤后干燥即得高纯 仲钨酸铵产品。这种热离解后重结晶的方法工艺复 杂,又不易控制产品的粒度,并且热离解温度要求严 格,在非还原性气氛中,当温度低于2 5 0 ℃时,仍有 一部分仲钨酸铵结晶没有离解,当离解温度高 3 2 0 ℃时,温度越高离解产品中w Q 的含量越高。 另外如果加热时间过短,A P T 热离解不完全,如果 加热时间过长,由于已转化的含水氧化钨化合物进 一步转化成无水三氧化钨,因而明显地影响了产品 溶出率。两种重结晶过程见图1 。 ● 最终产品 热] 驽解后结晶 一一t 直接氮溶结晶 图1 两种重结晶法的流程圈 F i g .I F l o w s h e e to ft W Or e - c r y s t a l l i z a t i o np r o c e ∞∞ 3 .2 电解法【1 9 J 电解法在国内还未见报道,美国专利表明,把 1 5 k g N H 4 C I 溶于1 4 0 ~1 5 0 L 氨水 3 0 %,中,制成 N | 1 4 C 1 .N H 3 H 2 0 溶液,把2 2 .1 4 3 3 k g 烧结碳化钨碎 料附着在铂金属丝上作为阳极,铂箔作阴极,然后把 阳、阴极浸入到N H 4 c 1 一N H 3 H 2 0 溶液中电解,相关 数据见表2 。 3 h 后碳化钨已减少1 4 .9 6 6 3 k g ,阴极有钴金属 镀在上面,而溶液呈灰色,里面含有钽、铌、钛的氧化 物,过滤后得到略显粉红色的钨酸铵溶液。把溶液 蒸发结晶,得到所需的商纯仲钨酸铵结晶。 电解法的优点是直接从碳化钨制取钨酸铵溶 液,不需要氧化或把钨精矿焙烧成氧化钨,过程简 单,且可得到高纯仲钨酸铵结晶。 表2 电解法制备仲钨酸铵电压与电流的变化 T a b l e2R e l a t i o n s h i po fc u r r e n ta n dv o l t a g ei na m m o n i u m p a r a t u n g s t a t ep r e p a r a t i o nb ye l e c t r o l y s i s 3 .3 其他方法【2 0 j 有日本专利介绍了用偏钨酸铵制备高纯仲钨酸 铵结晶的方法。把偏钨酸镀溶于水,用含五价磷酸 根或氨基的螯合树脂进行交换。然后凋节交换后溶 液D H 为6 .0 8 .0 ,在5 0 “ C 下加热蒸发,之后冷却 析出高纯仲钨酸铵结晶,杂质金属含量下降到l 1 0 1 1 和3 x 1 0 ~。 4 展望 目前仲钨酸铵结晶的制备方法较多,各有优缺 点。仲钨酸铵结晶制备的主要问题是除杂和控制结 晶形貌,以满足最终钨产品的需要。超声波频率范 围为2 0 ~1 0 6 k H z ,较容易在局部集中机械能量,产 生声空化的化学效用。声空化产生瞬间内爆,有强 烈的振动渡,形成瞬时高温、高压区,温度达5 0 0 0 K , 压力达5 0 M P a 以上,温度与时间的变化率达1 0 9 K s 一,这种极端的物理环境为促进或启动某些化学反 应创造了条件。有研究结果表明,利用超声波来强 化溶液的结晶过程,能明显缩短钼酸铵的结晶时间, 改变晶体的晶型和晶貌1 2 1 - 2 “,超声波对仲钨酸铵 结晶的彤貌、粒径和松装密度也有很大影响。超声 波对钨酸铵溶液、仲钨酸铵纯度和结构的影响正在 研究之中。 参考 文献 [ I ] 印协世.钨丝生产原理、工艺及其性能[ M ] 北京冶金工业出版社,1 9 9 8 5 2 [ 2 ] B a n h aL .G y a r m a t iG ,K i s sBA ,e ta 1 .C o m p l e xs t u d i e so ni n t e r m e d i a t ed e c o m l m i t i o np r o d u c t s 。fa m m o n i u mp a r a t u n g s t a t e J ] A c t aC h i ms dH u m ,1 9 7 9 .1 0 1 1 /2 1 2 7 [ 33N a s rEF o u a d ,A h m e dKHN o h m a n ,M o h a m e dIZ a k iS p e t r o - t h e r m a li n v t i g a t i c a lo ft h ed e c o m p o s i t i o ni n t e r m e d i a t e sd e v d - o p e dt h r o u g h 。u tr e d u c t i o no fa m m o n i u mp a r a t u n g s t a t e [ J ] T h e r m o c h i m e c aA c t a ,2 0 0 0 ,3 4 3 1 3 9 万方数据 有色金属 第5 5 卷 [ 4 ] T y p r e r t e ∞HCH A BB y 3H B T H H ⅡM e T J l 2 i y p r r m ,1 9 7 0 ,2 1 0 2 [ 5 ] 邸毓莹,李景凡,张玲,等,热还原仲钨酸铵制取铵钨青铜[ J ] .稀有金属,1 9 9 3 ,2 2 ;1 5 6 [ 6 ] I m p r o v m e n ti no rr d a t i n gt Om e t h o d so fp r e p a r i n ga m m o n i u mp a r a t u n s t a t e [ s ] .G B l l 3 2 1 5 6 ,1 9 6 8 [ 7 ] 莫似浩钨冶炼的原理和工艺[ M ] 北京冶金工业出版社,1 9 8 4 1 2 [ 8 ] R i c h a r dAS c h e i t h a u e r .C l a r e n c eDV a n d e r p o o l ,M a r t i nBM a e I n n i s ,e ta l ,P r o c e s sf o rp r o d u d n ga m m o n i u mp a r a t u n g s t a t e [ P ] U S A ,I n v e n t i o n .U S 4 6 2 4 8 4 41 9 8 6 [ 9 ] 林振淳仲钨酸铵的生产与市场[ J ] 中国钨业,1 9 9 9 5 1 1 [ 1 0 ] R i c h a r dAS c h e i t h a u e r ,C l a r e n c e D V a n d e r p o o [ ,M i c h a e lJ M i l l e rM e t h o d f o rp r o d u c i n ga m m o n i u mp a r a t u n g s t a t e [ P ] U S A , I n v e n t i o n .U S 4 6 2 3 5 3 41 9 8 6 [ 1 1 ] 胨世瑞.钨及仲钨酸铵[ J ] 江西冶金.1 9 9 7 ,1 7 5 5 7 [ 1 2 ] B a s u A K .S a l e F RC h a r a c t e r i z a t i o no fv a n o u sc o m m e r c i a t f o r m so fa m m o n i t t mp a r e n m g s t a t ep o w d e r [ J ] .JM a t e r S c i ,1 9 7 5 , 1 0 5 7 1 [ 1 3 ] H e m p e lK ,S a r a d s b o wM .L s l i c h k e i tu n ds t a b i l ek r i s t a U h y d r a t ei ms y x e ma m m o n i u m p a r a - 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K E YW O R D S m a t e r i a ls y n t h e s i sa n dp r o c e s s i n g ;a m m o n i u mp a r a t u n g s t a t e ;r e v i e w 万方数据