霍松岷(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610041)

近年來，隨著我國(guó)高新科技的不斷發(fā)展，對(duì)高純硼酸的需求正在不斷增多，同時(shí)對(duì)硼酸的純度也提出了更高的要求，就核工業(yè)而言，硼酸主要用于核電站水冷反應(yīng)堆的中子屏蔽，對(duì)純度的要求在99.99%以上，而國(guó)產(chǎn)硼酸因受技術(shù)條件的限制，還很難達(dá)到這一要求，為解決國(guó)內(nèi)日趨增大的核電級(jí)高純硼酸市場(chǎng)需求，提高該類產(chǎn)品的附加值，有必要對(duì)當(dāng)前高純硼酸制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，形成更具可行性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的核電級(jí)高純硼酸制備工藝技術(shù)體系。

1 制備工藝優(yōu)化

1.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所用試劑包括工業(yè)級(jí)硼酸、電子級(jí)高純水以及一次和二次轉(zhuǎn)化助劑（均為分析純）；儀器包括磁力攪拌器、高純水制備儀、電子天平、離子體原子發(fā)射光譜、離子色譜和真空干燥箱，實(shí)驗(yàn)流程為：將工業(yè)硼酸溶解于高純水中，加熱溫度控制在60-90℃；在濾液中加入一次轉(zhuǎn)化助劑，反應(yīng)溫度控制在35-90℃之間，得到pH為5.5-10.5的溶液，經(jīng)恒溫過濾，冷卻并結(jié)晶，離心分離晶體后獲得中間產(chǎn)物晶體；再將獲得產(chǎn)物溶解于高純水中，加熱溫度控制在35-100℃；在濾液中加入二次轉(zhuǎn)化助劑，攪拌40min左右，得到pH為1.0-5.0的溶液，冷卻重結(jié)晶，離心分離晶體并循環(huán)使用母液，最終獲得高純硼酸產(chǎn)品[1]。

1.2 最佳工藝條件確定

為確定核電級(jí)高純硼酸制備工藝所需最優(yōu)工藝條件，需對(duì)傳統(tǒng)制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，首先用進(jìn)行一組正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一般情況下，各因素對(duì)工業(yè)硼酸除鈣效果的影響程度以二次轉(zhuǎn)化反反應(yīng)pH值最為顯著，在中間產(chǎn)物二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中，pH值的降低對(duì)提高金屬雜質(zhì)的溶解度以及產(chǎn)品的純度比較有利，但是隨著加入量的逐漸增大，其自身所攜帶的雜質(zhì)也會(huì)增多，并隨晶體一同析出，進(jìn)而會(huì)影響到產(chǎn)品的純度。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度在50℃時(shí)，硼酸的除鈣效果最為理想，由此在鈣的極差分析基礎(chǔ)上，即可將最佳工藝條件確定為A4B2C4D2：一次轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)pH值為6.0-6.5；一次轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)pH值為2.0-3.0[2]。同樣，在鉛的極差分析基礎(chǔ)上，即可將最佳工藝條件確定為A1B2C1D4：一次轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)pH值為6.0-6.5；一次轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)pH值在1.0以下。通過對(duì)硼酸晶體中鈣和鉛含量的綜合考察，在此將核電級(jí)高純硼酸的制備工藝條件確定為：一次轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)pH值為6.0-6.5；一次轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度為70℃，反應(yīng)pH值為2.0-3.0。

1.3 制備工藝流程設(shè)計(jì)

制備核電級(jí)高純硼酸過程中，會(huì)在一次轉(zhuǎn)化反應(yīng)和二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)中各產(chǎn)生一部分母液，為節(jié)約資源和縮減成本，應(yīng)對(duì)這兩部分的母液加以循環(huán)利用，但要想確保產(chǎn)品的純度，就必須對(duì)母液循環(huán)次數(shù)對(duì)產(chǎn)品純度產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，確定最優(yōu)母液循環(huán)次數(shù)[3]。通過以往實(shí)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品中Ca、Pb、F、S042-、Cr的含量的對(duì)比分析，將一次轉(zhuǎn)化母液循環(huán)利用次數(shù)確定為3次，二次轉(zhuǎn)化母液循環(huán)利用次數(shù)確定為4次。純化工藝流程為：將工業(yè)硼酸溶解于高純水中，固液比為1：4-9.5，先在溶料罐中加熱溶解，溫度控制在35-90℃；再放入反應(yīng)罐中并加入一次轉(zhuǎn)化助劑，反應(yīng)溫度為50℃之間，得到pH為6.0-6.5溶液后停止反應(yīng)；經(jīng)恒溫過濾，溫度保持在50℃左右，然后冷卻并結(jié)晶；待完全結(jié)晶后進(jìn)行離心分離，對(duì)液相進(jìn)行循環(huán)再利用，對(duì)固相進(jìn)行烘干，獲得高純硼酸晶體，并繼續(xù)完成循環(huán)利用過程。

2 工藝可行性分析

核能是目前可以進(jìn)行大規(guī)模發(fā)展的替代性能源，隨著我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大化，其對(duì)高純硼酸的需求量與日俱增，從環(huán)境效益來看，對(duì)核電級(jí)高純硼酸制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，可促使溶劑等原料實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用，減輕產(chǎn)品生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成的危害；從經(jīng)濟(jì)效益來看，有助于降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，與傳統(tǒng)制備工藝相比，其成本優(yōu)勢(shì)和環(huán)境效益尤為明顯，而且通過循環(huán)利用，也可增加產(chǎn)品的附加值，其在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面均具有可行性，該生產(chǎn)工藝值得加以推廣和廣泛應(yīng)用[4]。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)工業(yè)硼酸純化的工藝流程以及該過程中的影響因素進(jìn)行分析，在此對(duì)核電級(jí)高純硼酸制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，重新設(shè)計(jì)了核電級(jí)高純硼酸制備的工藝流程，無論是從環(huán)境效益還是經(jīng)濟(jì)效益來看，都具有很強(qiáng)的可行性，關(guān)于該項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的研究還有待進(jìn)一步探討，希望能夠起到一定的借鑒作用。

[1]龔殿婷，李鳳華，樊占國(guó)，等.高純硼酸的制備及其影響因素[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，11（5）:1756-1760.

[2]潘欣艾.光電/核電級(jí)高純硼酸的制備及結(jié)晶形貌研究[D].大連理工大學(xué)，2011.

[3]王浩宇.高純硼酸及其鈉鹽和鋅鹽的制備和表征[D].大連理工大學(xué)，2012.

[4]潘欣艾，葉俊偉，王浩宇，等.絡(luò)合結(jié)晶法制備高純硼酸的研究[J].無機(jī)鹽工業(yè)，2011，10（3）:18-21.