1、第六章第六章 硼酸与硼砂硼酸与硼砂l1、硼、硼是一种化学元素，化学符号是B，是一种类金属。1808年，英国的戴维和法国的盖吕萨克、泰纳，用钾还原硼酸而制得硼。在自然界中，硼只以其化合物形式存在着，天然的硼主要存在于硼砂矿及硼钠方解石矿中。无定形为棕色粉末，晶体为黑灰色，硬度接近于金刚石，电阻较高；硼主要用于制备金属硼化物、碳化硼等；单质硼有多种同素异形体，基本结构单元为B12二十面体。二十面体连接的方式不同形成不同晶体。图为最常见的一种 a-菱形硼中 B12 二十面体的透视图。定形硼可用于生产硼钢。硼钢具有优良的抗冲击性及吸收中子的能力主要用于制造喷气发动机和核反应堆的控制棒。2、硼族元素的价
2、电子构型：、硼族元素的价电子构型：1s22s22p1 价电子层：价电子层：2s22p1 缺电子元素：价电子数缺电子元素：价电子数价层轨道数缺电子化合价层轨道数缺电子化合物：成键电子对数物：成键电子对数99.95%)u电解 B2O3 在 KBF4 中的融体可得晶态硼。用途：无定形硼可用于生产硼钢。硼钢主要用于制造喷气发动机和核反应堆的控制棒。前一种用途基于其优良的抗冲击性，后一种用途基于硼吸收中子的能力。l硼酸是氧化硼的水合物硼酸是氧化硼的水合物（B2O3.3H2O）,l硼酸为白色粉末状结晶或三斜轴面鳞片硼酸为白色粉末状结晶或三斜轴面鳞片状光泽结晶，有滑腻手感，无臭味。状光泽结晶，有滑腻手感，无
3、臭味。l溶于水、酒精、甘油、醚类及香精油中，溶于水、酒精、甘油、醚类及香精油中，水溶液呈弱酸性。水溶液呈弱酸性。l大量用于玻璃（光学玻璃、耐酸玻璃、大量用于玻璃（光学玻璃、耐酸玻璃、耐热玻璃、绝缘材料用玻璃纤维）工业，耐热玻璃、绝缘材料用玻璃纤维）工业，可以改善玻璃制品的耐热、透明性能，可以改善玻璃制品的耐热、透明性能，提高机械强度，缩短溶融时间。提高机械强度，缩短溶融时间。H3BO3 有极弱的碱性B(OH)3+H3PO4=BPO4+3H2OH3BO3 在冷水中溶解度很小，在热水中易溶，可通过水溶液中重结晶提纯。硼酸晶体的片层结构H3BO3OBOOHHHOBOOHHHHHHOOBOHHHOOB
4、OHHHOOBOHHHOOBO片层结构H3BO3 受热脱水时先生成偏硼酸盐(HBO2)，继续加热生成 B2O3HBO2有三种结构，分别为片层状、链状和网状，均有氢键存在。水溶液中除硼酸、偏硼酸外，多硼酸不存在，然而硼酸盐却主要以多硼酸盐的形式存在，单硼酸盐 如Mg3(BO3)2 反而很少，多数硼酸盐是由两个或两个以上的 BO3 原子团组成环状或链状结构。BOOOBOBOONaBO2为三聚体BOOBOOOBOOBOO链状结构以(BO2)nn-组成1、硼砂硫酸中和法 将硼砂溶解后。加硫酸复分解制得硼酸。Na2B4O7+H2SO4+5H2O4H3BO3+Na2SO4 2、碳氨法 将硼矿粉与碳酸氢铵溶
5、液混合，经加温加热后分解得到含硼酸氨料液，再经脱去反应生成的氨，即得硼酸。2MgO.B2O3+2NH4HCO3+H2O2(NH4)H2BO3+2MgCO3 (NH4)H2BO3H3BO3+NH3 3、盐酸法。用盐酸酸解硼精矿，再经过滤、结晶和干燥，即得硼酸。2MgO.B2O3+4HCl+H2O2H3BO3+2MgCl2 4、井盐卤水盐酸法。由含硼卤与盐酸一起蒸煮，再经脱水、结晶、干燥即得硼酸。利用硼酸（利用硼酸（H H3 3BOBO3 3）在不同的温度）在不同的温度下溶解度的不同，达到分离硼酸中下溶解度的不同，达到分离硼酸中的杂质，得到纯度较高的硼酸产品的杂质，得到纯度较高的硼酸产品的目的。的
6、目的。硼酸在水中的溶解度硼酸在水中的溶解度二二.制备过程制备过程粗硼渣粗硼渣硼渣洗涤硼渣洗涤热溶过滤热溶过滤冷却结晶冷却结晶硼酸洗涤硼酸洗涤干燥包装干燥包装精硼酸产品精硼酸产品精硼酸的制备精硼酸的制备过程分为五个过程分为五个步骤，具体如步骤，具体如右图所示：右图所示：2.12.1硼渣洗涤硼渣洗涤在车间粗硼渣中加入饱和硼酸母液（一般为冷却结晶工段的冷母液），使部分氯化镁、硫酸镁等杂质进入液相达到分离部分杂质的目的。2.22.2热溶过滤热溶过滤在洗涤后的粗硼渣中加入淡水以及部分饱和硼酸母液并加热至沸点（95100），使硼酸全部进入液相达到分离不溶于水杂质的目的。在热溶配浆的过程中加入5%的粉煤灰以
7、及0.1%的双氧水以达到硼酸脱色的目的。2.32.3冷却结晶冷却结晶通过真空结晶器将热硼酸母液冷却至常温，使硼酸从母液中析出固相来，分离得到粗硼酸。2.42.4硼酸洗涤硼酸洗涤在粗硼酸中加入纯净水，使粗硼酸中夹带的少量的氯化镁、硫酸镁等杂质进入液相达到硼酸提纯的目的得到湿的精硼酸。2.52.5干燥包装干燥包装通过蒸汽加热（应将温度控制在90以下）将湿精硼酸脱水后包装得精硼酸产品。粗硼渣粗硼渣板框过板框过滤洗涤滤洗涤热溶热溶过滤过滤真空冷真空冷却结晶却结晶冷母液冷母液淡水粉煤灰+H2O2热母液湿精硼酸带式带式过滤过滤化浆化浆洗涤洗涤干燥干燥包装包装精硼酸精硼酸成品成品粗硼酸粗硼渣煤渣蒸发水硼酸洗
8、液硼渣洗液设备操作流程设备操作流程l一一.硼渣洗涤工段硼渣洗涤工段l二二.热溶过滤工段热溶过滤工段l三三.冷却结晶工段冷却结晶工段l四四.硼酸洗涤工段硼酸洗涤工段l五五.干燥包装工段干燥包装工段 根据精硼酸根据精硼酸1 1万吨万吨/年的生产量，粗硼渣的加入量为年的生产量，粗硼渣的加入量为8.118.11吨吨/小时，母液来自冷却结晶工段的冷母液。小时，母液来自冷却结晶工段的冷母液。粗硼渣粗硼渣8.11t/h8.11t/h冷母液冷母液一段洗涤配浆槽一段洗涤配浆槽一段洗涤配浆槽一段洗涤配浆槽粗硼渣洗涤粗硼渣洗涤板框压滤机板框压滤机料浆去料浆去过滤过滤2.1热溶配浆热溶配浆热溶配浆槽热溶配浆槽洗涤后粗
9、硼渣洗涤后粗硼渣来自洗涤工段来自洗涤工段冷母液来自冷母液来自冷却结晶工段冷却结晶工段淡水淡水（按粗硼酸固液比（按粗硼酸固液比1:0.8-1.21:0.8-1.2）硼酸洗液来自硼酸洗液来自硼酸洗涤工段硼酸洗涤工段脱色需加入硼渣量的5%粉煤灰与0.1%的H2O22.22.2热溶热溶热溶槽热溶槽 该工段需控制温度该工段需控制温度 在在9510095100之间之间 （即料浆达到沸腾）（即料浆达到沸腾）2.32.3热过滤热过滤 热溶后料浆需趁热溶后料浆需趁 热过滤，防止热热过滤，防止热 母液温度降低析母液温度降低析 出硼酸晶体。出硼酸晶体。热溶粗硼酸热溶粗硼酸板框过滤机板框过滤机料浆来自料浆来自热溶槽热
10、溶槽 板框过滤后滤液进入真板框过滤后滤液进入真空冷却装置降温后，温空冷却装置降温后，温度控制在室温（度控制在室温（2525左左右右）。母液中将析出大）。母液中将析出大量的硼酸晶体。量的硼酸晶体。真空冷却真空冷却结晶装置结晶装置洗涤配浆：洗涤配浆：冷却后硼酸溶液冷却后硼酸溶液经带虑机过滤得经带虑机过滤得粗硼酸，粗硼酸粗硼酸，粗硼酸中夹带了少量的中夹带了少量的氯化镁、硫酸镁氯化镁、硫酸镁等杂质，需加入等杂质，需加入纯净水洗涤，使纯净水洗涤，使杂质进入液相中。杂质进入液相中。洗涤配浆槽洗涤配浆槽粗硼酸粗硼酸纯净水纯净水1:0.75.15.1温度控制温度控制 由于硼酸在加热至由于硼酸在加热至10010
11、5100105时失去一分子水而时失去一分子水而形成形成偏硼酸偏硼酸，所以在干燥硼酸的过程中应将温度，所以在干燥硼酸的过程中应将温度控制在控制在90 90 以下。以下。5.25.2包装标准包装标准 按按50kg/50kg/包的标准装袋。包的标准装袋。粗硼渣粗硼渣洗涤配浆槽洗涤配浆槽洗涤板框洗涤板框热溶配浆槽热溶配浆槽热溶槽热溶槽热硼酸母液缓冲槽热硼酸母液缓冲槽热液板框热液板框离心机高位槽离心机高位槽二段洗涤配浆槽二段洗涤配浆槽带虑机带虑机带虑机高位槽带虑机高位槽真空结晶装置真空结晶装置硼酸热液槽硼酸热液槽湿产品皮带输送机湿产品皮带输送机盘式干燥器盘式干燥器粉料输送机粉料输送机包装机包装机成品成品
12、离心机离心机冷母冷母液槽液槽母液母液盐田盐田渣料渣料皮带皮带一段一段滤液槽滤液槽硼酸硼酸洗液槽洗液槽 四硼酸钠四硼酸钠:俗称俗称硼砂硼砂Na2B4O710H2O 无色半透明的晶体或白色结晶粉末。无色半透明的晶体或白色结晶粉末。在空气中容易失水风化，加热到在空气中容易失水风化，加热到650K左右，失去全部结晶水成无水盐，在左右，失去全部结晶水成无水盐，在1150K熔成玻璃态。熔成玻璃态。OH O B O HO B O B OH O B O OH2-硼砂的结构硼砂的结构 B4O5(OH)42-四硼酸钠四硼酸钠:俗称俗称硼砂硼砂Na2B4O710H2O 硼酸的分子结构硼酸的分子结构l主要用于玻璃、陶
13、瓷和搪瓷工业，以及洗涤主要用于玻璃、陶瓷和搪瓷工业，以及洗涤剂制造、微量元素肥料、抗腐蚀剂、纤维素剂制造、微量元素肥料、抗腐蚀剂、纤维素的阻燃剂等等。的阻燃剂等等。l 2，硼砂是制造光学玻璃、珐琅l 和瓷釉的原料 （1）光学玻璃是用于制造 光学仪器或机械系统的透镜、棱 镜、反射镜、窗口等的玻璃玻璃材料 、可分为硅酸盐、硼酸盐、磷酸 盐、氟化物和硫系化合系列,其中 含碱硼硅酸盐体系的称为冕玻璃 l （2）珐琅，瓷釉；中国古代习惯将附着在陶或瓷胎表面的称“釉”；附着在建筑瓦件上的称“琉璃”；而附着在金属表面上的则称为“珐”，珐琅、陶瓷釉的基本成分为石英、长石、硼砂和氟化物，与琉璃、玻璃（料）同属硅
14、酸盐类物质。红底清绿龙盘 晚清 乾隆蓝珐琅彩山水纹御诗碗 利用硼砂珠实验的原理，硼砂也常被用作除锈剂.因为硼砂在加热时,能熔解金属表面的氧化物除锈.此外,在焰火中也用到硼砂,因为它受热后,会射出美丽的绿色光芒.银饰氧化后，加适量 硼砂加热，可除去氧化物，恢复其光泽l主要有碳碱法、常压碱解法和水浸溶法l（1）由硼镁矿制硼砂（又称硼酸钠、月石粉）的工艺lA碳碱法工艺碳碱法工艺：将预处理的硼镁矿粉与碳酸钠：将预处理的硼镁矿粉与碳酸钠溶液混合加温，通二氧化碳升压后反应制取。lB碱法工艺：又分为常压碱解法和加压碱解法碱法工艺：又分为常压碱解法和加压碱解法。是用NaOH溶液加热分解硼镁矿粉制取，亦可由天然
15、硼砂直接制取。l 由于碱法工艺不适宜加工品位低的矿粉，且工艺流程长，设备多，现已逐步被碳碱法取代。1、加压碱解法加压碱解法：将预处理的硼镁矿粉与氢氧化：将预处理的硼镁矿粉与氢氧化钠溶液混合，加温加压分解得钠溶液混合，加温加压分解得偏硼酸钠偏硼酸钠溶液，溶液，再经碳化处理即得硼砂。再经碳化处理即得硼砂。2MgO.B2O3+2NaOH+H2O2NaBO2+2Mg(OH)2 4 NaBO2+CO2Na2B4O7+Na2CO3 2、碳碱法碳碱法：将预处理的硼镁矿粉与：将预处理的硼镁矿粉与碳酸钠碳酸钠溶液溶液混合加温，通混合加温，通二氧化碳二氧化碳升压后反应得硼砂。升压后反应得硼砂。2(2MgO.B2O
16、3)+Na2CO3+2CO2+xH2ONa2B4O7+4MgO.3CO2.xH2O 3、纯碱纯碱碱解法碱解法(井盐卤水井盐卤水)：将井盐卤水处理后得硼砂糊，与纯碱混合蒸煮即得硼砂。lCaB4O7+Na2CO3Na2B4O7+CaCO3 l4H3BO3+Na2CO3Na2B4O7+6H2O+CO2 4、纯碱碱解法纯碱碱解法(钠硼解石钠硼解石)：用纯碱和小苏打分解预处理后的钠硼解石，加苛化淀粉沉降、结晶得硼砂。l2(NaO.2CaO.5B2O3.16H2O)+Na2CO3+NaHCO35Na2B4O7+4CaCO3+CO2+34H2O l（2）由硼镁矿制硼酸工艺lA盐酸法盐酸法：先用盐酸分解硼镁矿，再利用氯化镁使硼酸有效地萃取入溶剂，经水反萃取得硼酸。萃取余液中含有氯化镁，经除去少量的钙、脱水、煅烧，可制得氧化镁和盐酸，盐酸再用于矿石分解，氧化镁可作为耐火材料。lMgOB2O3+2HCl+2H2O=2H3B2O3+MgCl2lB硫酸中和法硫酸中和法：以硼镁矿为原料，采用碳碱法制取硼砂，再由硼砂生产硼酸。lNa2B4O7+H2SO4+5H2O=4H3BO3+Na2SO4
