重晶石矿沉淀法制备硫酸钡粒径调控研究_杨斌.pdf

-58-第45卷第6期 非金属矿 Vol.45 No.62022年11月 Non-Metallic Mines November,2022重晶石矿沉淀法制备硫酸钡粒径调控研究杨 斌*杨贵惠 王 婧 索超辉 张 昌 谢 宁（安康学院 化学化工学院，安康市纳米新材料工程技术研究中心，陕西 安康 725000）摘 要 以 BaS 和 Na2SO4为原料，采用直接沉淀法制备 BaSO4粉体。对 BaSO4的晶相、形貌和粒径分布进行表征，研究了影响 BaSO4粉体粒径的因素。结果表明，提高 Na2SO4溶液浓度，加快滴加速度，或提高反应温度，BaSO4粉体平均粒径均显著增加。Na2SO4浓度为 0.4 mol/L，滴加速度为 10 mL/min，粒径范围和平均粒径均随反应温度的升高而逐渐增大，平均粒径由 40 时的 8.380 m 增加到 100 时的 14.129 m。在100 使用乙二胺四乙酸（EDTA）后，粒径范围明显缩小，平均粒径降至 4.961 m。使用理论沉淀质量 2%、4%和 6%的硬脂酸钠改性，用量为 2%时粉体分散性最好，粒径为 0.953 m。通过调节 Na2SO4溶液浓度和滴加速度，再用适量 EDTA 和硬脂酸钠等工艺优化措施，采用直接沉淀法可以制备出亚微米级 BaSO4粉体。关键词 硫酸钡粉体；直接沉淀法；粒径分布；乙二胺四乙酸；硬脂酸钠中图分类号：TQ132.2；TQ623.1文献标志码：A文章编号：1000-8098(2022)06-0058-05Study on Particle Size Regulation of Barium Sulfate Prepared by Barite PrecipitationYang Bin*Yang Guihui Wang Jing Suo Chaohui Zhang Chang Xie Ning(Ankang Research Centre of New Nano-materials Science and Technology,School of Chemistry and Chemical Engineering,Ankang University,Ankang,Shaanxi 725000）Abstract BaSO4 was prepared from BaS and Na2SO4 by direct precipitation method.The crystal phase,morphology and particle size distribution of BaSO4 were characterized,and the factors affecting the particle size of BaSO4 powder were studied.The results showed that the average particle size of BaSO4 powder can be significantly increased by increasing the concentration of Na2SO4 solution,speeding up its dropping rate,or increasing the re-action temperature.At 0.4 mol/L Na2SO4 concentration and 10 mL/min dropping rate,the particle size range and average particle size increased with the increase of reaction temperature,the average particle size increased from 8.380 m at 40 to 14.129 m at 100.When EDTA was applied at 100,the particle size range was significantly reduced to 4.961 m.The dispersibility was improved by using sodium stearate with the mass ratio of 2%,4%and 6%.The dispersibility was the best at 2%,and the average particle size was 0.953 m.The results showed that submicron BaSO4 powder can be prepared using direct precipitation method by adjusting the Na2SO4 solution concentration and dropping rate,and then using appropriate content of EDTA and sodium stearate.Key words barium sulfate powder;direct precipitation;particle size distribution;EDTA;sodium stearate硫酸钡是一种易开发、成本低廉且理化性质优良的白色无定型粉末1，其化学惰性好、白度高、密度大且对 X 射线和紫外线辐射不透明，广泛应用于化妆品、陶瓷、涂料、塑料、橡胶、油漆、油墨和造影剂2-4。当 BaSO4粒径达到亚微米级且粒径分布窄 时5，比表面积较高且活性良好6，在上述应用领域使用性能和应用效果更优。随着新功能器件的开发应用和现代材料科学的迅速发展，亚微米级硫酸钡的应用领域日益扩大，市场需求量越来越大。安康市辖区内重晶石矿平均品位 76%92%，探明储量 2 167 万吨，远景储量超过 4 000 万吨，探明储量位居陕西省首位，全国第二9。国内大部分企业采用直接沉淀法制备 BaSO4工艺11，具有工艺简单、能耗低、生产周期短和适应性强等优点10。但直接沉淀法难以控制硫酸钡产品的形貌和粒度，导致所得产品的稳定性差，如粒径分布广，纯度低，大大限制了应用范围12。因此，通过改进直接沉淀法制备亚微米级且粒径分布窄的沉淀硫酸钡具有重要意义13。企业采用直接沉淀法生产硫酸钡的具体流程为：重晶石和煤按一定比例混合，粉碎和焙烧得到BaS，经热水浸取、澄清得到 BaS 溶液，再与除杂后的 Na2SO4溶液混合，加热至 90 以上发生沉淀反应。反应完全后，经抽滤、洗涤和干燥即可得到硫酸钡成品1。为模拟企业的实际生产工艺，本试验将 BaS原料在去离子水中浸取和充分搅拌，过滤后获得 0.4 mol/L 的 BaS 溶液。通过工艺参数调节，研究了Na2SO4溶液浓度、Na2SO4溶液滴加速度、反应温度、乙二胺四乙酸（EDTA）添加和硬脂酸钠改性对硫酸钡粉体粒径分布的影响。收稿日期：2022-09-12基金项目：安康市工业科技攻关项目（AK2021-GY-12）；陕西省大学生创新创业训练计划项目（S202011397082）。*通信作者，E-mail：。-59-1 试验部分1.1 原料及仪器设备 BaS 溶液，浸取过滤获得；Na2SO4，分析纯，天津市天力化学试剂有限公司；乙二胺四乙酸（EDTA），分析纯，国药集团化学试剂有限公司；硬脂酸钠，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；去离子水，自制。电子天平，JA3003B 型，上海越平科学仪器；恒温水浴锅，上海力辰邦西仪器科技有限公司；蠕动泵，流速 0.01240 mL/min，联合众为科技有限公司；电动搅拌器，JJ-1A 型，金坛区华城润华实验仪器厂。激光粒度仪，WJL-612 型，上海仪电物理光学仪器；X 射线粉末衍射（XRD）仪，TD-3500 型，丹东通达科技；场发射扫描电子显微镜（SEM），ZEISS Gemini 300 型，德国卡尔蔡司。1.2 试验方法 BaS 溶液和 Na2SO4溶液均是在水浴锅中进行匀速搅拌并加热到目标反应温度保温。在所有试验中，固定 BaS 溶液的浓度为 0.4 mol/L，体积为 100 mL，将 Na2SO4溶液滴入其中进行沉淀反应。滴加完毕后，继续搅拌 30 min 以确保沉淀反应进行彻底，后经过滤、洗涤和干燥得到样品。在 40 反应温度下，分别研究 Na2SO4溶液浓度和滴加速度的影响。在研究浓度影响时，分别配制 0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L 和 0.8 mol/L 浓度的 Na2SO4溶液，体积分别为 200 mL、100 mL、67 mL 和50 mL。使用微型蠕动泵向 BaS 溶液中滴加，固定滴加速度为 10 mL/min。在研究滴加速度影响时，Na2SO4溶液的浓度固定为 0.4 mol/L，滴加速度分别控制在 10 mL/min、20 mL/min 和 30 mL/min。研究反应温度的影响时，反应温度设定在 40、60、80 和 100，Na2SO4溶液浓度固定为 0.4 mol/L，滴加速度固定为 10 mL/min。固定 Na2SO4溶液浓度和滴加速度，在 100 分别研究添加 EDTA 和硬脂酸钠改性的影响。改性试验中，待沉淀反应彻底后，分别添加理论沉淀质量的2%、4%和6%的硬脂酸钠进行改性。2 结果与讨论2.1 Na2SO4溶 液 浓 度 的 影 响 不 同 Na2SO4溶液浓度下制备的硫酸钡粉体粒径分布曲线，见 图 1。从 图 1 可 看 出，当 Na2SO4溶 液 浓 度 由 0.2 mol/L 增加到 0.4 mol/L 和 0.6 mol/L 时，粒径分布范围逐渐变宽，由 0.17.7 m 扩大至 0.151.0 m 和 0.167.0 m。当浓度增至 0.8 mol/L 时，粒径分布曲线变为了双峰曲线，粒径范围集中在 0.12.0 m 和17.067.0 m。随着浓度增大，对应曲线顶点所对应的粒度值逐渐增大，说明晶粒变大。图1 不同Na2SO4溶液浓度下制备硫酸钡粉体的粒径分布曲线不同 Na2SO4溶液浓度下制备硫酸钡粉体粒径分布结果，见表 1。由表 1 可知，当 Na2SO4溶液浓度由 0.2 mol/L 逐渐增至 0.8 mol/L 时，D50、D90 和平均粒径逐渐增加，比表面积逐渐减小。粉体平均粒径由 0.2 mol/L 时的 2.333 m 逐渐增大至 8.380 m、13.476 m 和 25.693 m。表 1 不同 Na2SO4溶液浓度下制备硫酸钡粉体的粒径分布结果浓度/（mol/L）D10/m D50/m D90/m平均粒径/m 比表面积/(m2/cm3)0.21.3882.1863.4582.3333.0860.41.6636.00718.7018.3800.8590.62.40010.35429.33613.4760.5340.80.78927.9837.43725.6930.2802.2 Na2SO4溶液滴加速度的影响 在不同 Na2SO4溶液滴加速度下制备的硫酸钡粉体粒径分布曲线，见 图 2。从图 2 可看出，当 Na2SO4溶液的滴加速度由10 mL/min 增至 20 mL/min 和 30 mL/min 时，粒径分布范围逐渐变宽，由 0.146.6 m 扩大到 0.166.8 m和 0.1104.9 m。随着滴加速度的增大，相应曲线顶点所对应的粒度值逐渐增大，说明晶粒增大。图2 不同Na2SO4溶液滴加速度下制备的硫酸钡粉体粒径分布曲线不 同 Na2SO4溶 液 滴 加 速 度 下 制 备 的 硫 酸钡粉体粒径分布结果，见表 2。由表 2 可知，当 Na2SO4溶液滴加速度逐渐增加时，D10、D50、D90 和平均粒径逐渐增加，比表面积逐渐减小。粉体平均粒径由 10 mL/min 时的 8.380 m 逐渐增大至 13.000 m0 20 40 60 80 100粒径/m微分分布/%-