亚洲金属百科
专业的金属知识站点
  • 硼的制备

 
  • 矿的化学加工可分为硼化合物制取和元素硼制取两部分,一般先以硼矿为原料制取硼砂和硼酸,然后再从硼砂和硼酸制取硼化合物和元素硼。
  • 硼矿化学加工方法取决于硼矿的性质和组成。用于工业生产的硼矿有水溶性和水不溶性两类,水溶性硼矿有天然硼砂矿和盐湖卤水中的硼酸矿;水不溶性硼矿种类较多,工业生产主要采用硬硼石和硼石两种。
  • 硼化合物制取分水溶性硼矿加工和水不溶性硼矿加工两类方法。
  • 水溶性硼矿的加工方法
  • (1)天然硼砂矿的精制:将天然硼砂矿破碎,用水溶解,再经过滤、结晶、分离、干燥即得五水硼砂和十水硼砂。
  • (2)从盐湖卤水中提取硼酸:将含氧化硼约1%的卤水用多元醇一煤油组成的有机相萃取硼酸,然后用稀硫酸反萃取,反萃取液经蒸发、结晶、离心分离、干燥处理即得硼酸成品。
  • 水不溶性硼矿的加工方法
  • 从水不溶性硼矿制取硼酸的方法主要有酸法、碱法和碳酸铵法。
  • (1)酸法。适于含硼高的富矿。浸出剂可用硫酸、盐酸、硝酸,浸出多在常压下进行,浸出方式有间歇式和连续式两种。将粉碎至约0.125mm的硼矿粉,放在装有水的耐酸反应器中,慢慢加酸分解。反应式为:
  • 2MgO•B2O3•H2O+2H2SO4→2H3BO3+2MgSO4
  • 生成的硼酸与硫酸镁不易分离,工业上采用蒸馏或萃取法使它们分开。
  • (2)碱法。既适用于处理富硼矿,也适用于处理贫硼矿。这是中国首先研究成功的方法,分解剂有烧碱和纯碱,有加压碱解法、碳碱法和多硼酸钠法之分。加压碱解法收率高,反应时间短,但工艺流程较长(见下图)。先将块状硼矿石放在窑内于873~1073K温度下煅烧脱水。煅烧产物经粉碎至约O.125mm,在混料罐内与过量碱混合,再送入带有搅拌的碱解器内,在413K温度和4MPa压力下进行反应:
  • 2MgO•B2O3+2NaOH+H2O→2NaBO2+2Mg(OH)2
  • 4NaBO2+CO2→Na2B4O7+Na2CO3
  • Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3
  • 反应结束后,经过滤、碳化、结晶、分离、干燥处理后得硼砂,含纯碱母液经苛化后返回使用。
  • 碳碱法与加压碱法不同之处在于碱解与碳化合并于压煮器中进行,纯碱也不需提纯即可循环使用。多硼酸钠法的加碱量低于理论量,因而生成多硼酸钠时碱耗较低,但不能直接得到硼砂。
  • (3)碳酸铵法。工艺过程与加压碱解法相似,不同之处是用碳酸氢铵作分解剂。分解过程的反应压力与温度有关,并随反应的进行由高变低,开始时高达10MPa。反应得到的产品为硼酸铵,需再经蒸馏脱氨才得到硼酸,氨可循环使用。该法流程长,氨不能完全循环,脱氨作业能耗较高。
  • 工业上有4种制取元素硼的方法,它们是卤化物氢还原法、金属热还原法、熔盐电解法和热分解法。
  • (1)卤化物氢还原法。使氢和三氯化硼的混合气流在热的丝或丝上分解沉积出晶形硼,反应为:2BCl3+3H2=2B+6HCl此法可得到纯度高达99.999%的高纯硼。或者可以用氢和三溴化硼的混合气体经过钽丝,电热到1500K,三溴化硼在高温下被氢还原,生成的硼在钽丝上成片状或针状结构。电解熔融的KBF4,可以得到更纯的硼。
  • (2)金属热还原法。原料有硼酸、硼氧化物、氟硼酸盐、氢硼化物,还原剂可采用金属、钠、、钾、钙、铁、以及半金属。较多采用镁还原硼酸,其反应为:2HBO3+5Mg=2B+5MgO+H2O
  • 具体操作流程如下:
  • 首先用浓碱液分解硼镁矿得偏硼酸钠,将NaBO₂在强碱溶液中结晶出来,使之溶于水成为较浓的溶液,通入CO₂调节碱度,浓缩结晶即得到四硼酸钠(硼砂)。将硼砂溶于水,用硫酸调节酸度,可析出溶解度小的硼酸晶体。加热使硼酸脱水生成三氧化二硼,经干燥处理后,用镁或铝还原B₂O₃得到粗硼。将粗硼分别用盐酸、氢氧化钠和氟化氢处理,可得纯度为95~98%的棕色无定形硼。
  • (3) 熔盐电解法。有3种熔盐体系涵a.B2O3+KCl体系;b.KBF4-KCl体系;c.KBF4-KF-KCl体系或KBF4-KCl—NaCl体系。电解时采用碳化硼阳极,产品元素硼纯度较低,一般在87%-99.8%水平。
  • 电解法中,以KBF4-KCL或B2O3-KBF4-KCL为电解液。前者经改进后用BCL3为原料。以防电解液积累氟化物。电解温度800摄氏度,3000安槽,电流效率75%,产品纯度99%左右。熔盐电解法具有工艺简单、成本低、产品杂质少、纯度高等优点。
  • (4)热分解法。还原原料限于卤硼化物和氢硼化物,如溴化硼、碘化硼、乙硼烷等,分解温度在1073-1773K范围。此法可获较高纯度的硼。
  • 工业上制备一般有两种方法:
  • (1)酸法
  • 酸法是直接用浓硫酸溶解硼镁矿,生成硼酸沉淀,过滤分离,加热分解得到B2O3,再用镁还原得到单质硼。
  • 此方法虽简单,但须耐酸设备等条件,不如碱法好。
  • (2)碱法
  • ①用浓碱液分解硼镁矿得偏硼酸钠:
  • ②将NaBO2在强碱溶液中结晶出来,使之溶于水成为较浓的溶液,通入CO2调节碱度,浓缩结晶即得到四硼酸钠,即硼砂:
  • ③将硼砂溶于水,用硫酸调节酸度,可析出溶解度小的硼酸晶体:
  • ④加热使硼酸脱水生成B2O3:
  • ⑤用镁或铝还原B2O3得到粗硼:B2O3 + 3Mg =2B + 3MgO。 粗硼的含量在95%-98%,需要再用NaOH, HCl等处理提纯。
  • 高纯硼的制备:
  • 硼纤维通常采用气相化学沉积法。将连续通入反应管的钨丝直接通电加热到1000~1200℃。在反应管中通入Ba3和H2的混合气体,在钨丝的表面引起反应,形成硼纤维:
  • 目录
    Boron
  •  
  •  
  • 介绍
  •  
  • 发现
  •  
  • 性质
  •  
  • 制备工艺
  •  
  • 应用
  •  
  • 资源分布
  •  
  • 中国储量
  •  
  • 化合物
  •  
  • 硼烷
  •  
  • 硼酸
  •  
  • 毒性作用
  •  
  • 人体影响
  •  
  • 生物影响
  •  
  • 行业标准
  •  
  • 名企
  •  
  • 矿物
  •  
  • 推荐
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  
  • |
  •  

1 2   3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
111
112
Cn
113
Uut
114
Fl
115
Uup
116
Lv
117
Uus
118
Uuo