制备硼砂的方法主要有硫酸法、常压碱解法、加压碱解法、碳碱法、钠化焙烧-常压水浸法、熔态钠化-常压水浸法、钠化焙烧-加压水浸法等。
硫酸法
硫酸法是利用硼镁矿制取硼酸的主要方法。硫酸法制备硼砂以硼镁矿粉作为原料,将硫酸加入硼镁矿粉中使其分解,反应产物为粗硼酸和硫酸镁。为了下一步制备硼砂,需将混合产物分离,获得粗硼酸。母液中硼酸和硫酸镁的分离,国内外主要利用硫酸盐析法、沉淀分离法(固硼或固镁)、浮选分离法、萃取回收法等方法进行。
硫酸法由于工艺技术成熟,流程简单,被国内大多数硼酸厂使用。但是该工艺也存在效率低、质量差、母液缺少有效利用途径等问题。由于母液的大量排放,不仅影响企业的经济效益,还造成环境的严重污染和硼资源的浪费。硫酸法硼的总收率在72%~75%,而实际生产中,虽然硼的浸出率高达95%,总收率却只有40%~45%,大部分的硼在加工过程中损失。此方法制备硼砂在1961年以后逐渐停用,直到20世纪70年代中后期,基于晶体硼镁肥的推广应用,又有厂家采用硫酸法小规模生产硼酸和晶体硼镁肥。
常压碱解法
碱解法是基于硫酸法的B2O3回收率低、成本高、设备腐蚀较严重等缺点而提出的。要使B2O3污染得以解决,硼砂就必须从B2O3含量高的硼矿中提取制备,通过母液回收利用,将母液中残留的B2O3尽可能多地转移到硼砂中。碱解法加工硼镁矿,首先要求矿石焙烧质量好,生烧和过烧都会显著降低碱解率。将硼镁矿作为实验原料,在一定温度下焙烧后粉碎再加NaOH溶液进行碱解(碱解率波动一般在70%~80%),过滤及水洗除去残渣,将滤液蒸发浓缩、冷却结晶后加水溶解,再加小苏打中和,冷却结晶,分离得到硼砂。工艺流程如图1所示。
加压碱解法
加压碱解法与常压碱解法的不同在于原料矿粉中加入NaOH溶液进行碱解的同时,需要外界对系统施加一定的温度和压力,让其在高温高压的环境中进行反应,过滤及水洗除去残渣,滤液蒸发浓缩、冷却结晶后加水溶解,加小苏打中和,冷却结晶,分离得到硼砂。工艺流程与图1相比,加压碱解法制备硼砂仅仅在碱解的过程中控制了外界的条件,将温度和压力控制在一定的范围内波动,其余实验制备流程与常压碱解法基本一致。这样的改进使得原料能在较高的温度和压力下充分反应,碱解率提高。
该方法是在之前常压碱解法上的一种改进,在较高的温度和压力下进行碱解,碱过量较少,碱解率较高,经济效益高。但是与常压碱解法一样,由于NaOH溶液具有强腐蚀性,实验过程中若操作不当,易发生危险。且所需设备多,不适合加工低品位的矿粉。目前生产过程中也较少采用这种方法。
碳碱法
碳碱法与碱解法最大的不同在于制备硼砂的过程中有气体CO2参与反应,所以反应过程需在相对密闭的环境下进行。利用Na2CO3和CO2反应剂在加压(0.6~1.0MPa,130~140℃)的条件下与硼矿粉反应,此时,硼以B4O7的形式进入溶液相,而镁以MgCO3沉淀的形式留在渣中,从而达到硼镁分离的目的。通过控制pH值,使镁生成碳酸镁或者碱式碳酸镁沉淀,通过过滤与溶液中的硼分离。加压和升温均可缩短反应时间,加快反应进程。碳碱法制备硼砂,分离硼砂后的母液可直接返回配料,流程短,且排出的矿渣碱性较弱,不易污染环境。工艺流程如图2所示。
钠化焙烧-常压水浸法
钠化焙烧-常压水浸法是在原料硼精矿中直接加入碳酸钠混合均匀后进行焙烧,而碳碱法是将原料矿石进行焙烧,焙烧之后再加入Na2CO3和CO2气体进行反应。水浸法避免了在密闭环境下操作实验,减小了实验的危险性。取硼精矿和碳酸钠混合均匀,将混合料置于马弗炉中焙烧一定时间,焙烧产物冷却至室温,再经过称量、破碎等工艺后,加入一定量去离子水进行水浸处理,时间和温度根据实验条件控制,水浸滤液经过蒸发浓缩,结晶分离后得到硼砂,工艺流程如图3所示。
该方法反应过程长,速度较慢,得到硼砂花费时间长,不符合高效率的原则,所以还需找到一种更加合适的制取硼砂的方法。
熔态钠化-常压水浸法
将富硼渣粉末和碳酸钠混合研磨,放入高温中进行熔融钠化,冷却后进行水浸处理,水浸滤液经过蒸发浓缩、结晶、分离、干燥后得到硼砂。与图3相比,在加入钠化剂Na2CO3之后,并不是直接放在马弗炉进行焙烧,而是将混合物放入二硅化钼炉中进行升温,使混合物在熔融状态下进行钠化,冷却至预处理温度之后的钠化渣将和钠化焙烧-常压水浸法中的钠化渣进行相同的处理。硼砂的浸出率比钠化焙烧方法的浸出率高,但是由于反应需要的温度极高,导致反应可控性减弱,危险性较大,故熔态钠化-常压水浸法制取硼砂的应用性不高。
钠化焙烧-加压水浸法
钠化焙烧-加压水浸法是在常压水浸法的环境下控制了温度和压力的条件,使水浸反应充分进行。相比于常压水浸法,加压水浸缩短了制取硼砂制品的反应流程,加快反应时间,使反应往高效率的方向发展。该方法是目前实验制备硼砂应用最广的方法,同时也是效率最高的方法。将一定量的矿样加入钠化剂在马弗炉上焙烧若干小时,取出焙烧后的产物冷却至室温再称量破碎,加入去离子水在高压反应釜中以一定的温度和压力进行反应,水浸滤液进行降温结晶即得硼砂。