碱式碳酸钴生产工艺改进分析范文

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摘要:通过对碱式碳酸钴生产工艺的改进，合成过程中使用碳酸氢钠替代碳酸氢铵，并通过大量的实验及车间试产，对替代前后工艺的关键参数如pH值、温度、比重等方面进行了对比、分析和优化，确定了替代后的最佳生产工艺参数，以期达到在杜绝生产工序产生氨及硫化氢气体的情况下，同时降低生产成本，生产出品质优良的碱式碳酸钴产品的目标。

关键词:碱式碳酸钴;碳酸氢钠;碳酸氢铵;过饱和溶液;成本;pH值

碱式碳酸钴［2CoCO3•3Co(OH)2•H2O］是一种外观呈紫红色结晶或粉末状物。有毒，刺激眼睛、呼吸系统和皮肤，几乎不溶于水和氨水，可溶于酸，不与冷的浓硝酸和浓盐酸起作用，加热400℃开始分解，并放出二氧化碳。广泛应用于催化剂及制钴盐原料［1］，陶瓷工业着色剂［2］，电化学、催化剂、磁性材料［3］等领域。本文所涉及的原工艺为使用硫酸钴与碳酸氢铵合成碱式碳酸钴，后经沉降、离心、洗涤除杂、再离心、干燥得到产品，由于合成反应中，使用到碳酸氢铵，故反应中有氨气放出，在沉降后，使用了硫化钠作为原料进行上层清液的处理，释放在合成过程中，氨与钴离子形成的配合物［4］，减少钴金属的损失，但同时也释放出硫化氢气体，故此工艺对作业环境存在很大的影响，同时还对吸收装置提出了很高的要求。本文所涉及的改善工艺流程未进行变化，改善的工艺是在第一步合成碱式碳酸钴时，使用碳酸氢钠替代碳酸氢铵的工序，材料替代后，在生产过程中，没有氨气的产生，由于没有出现铬合反应，故不用加入硫化钠原料释放钴离子，因此没有硫化氢气体的产生，从而大大改善了作业环境，且由于减少了生产过程中酸与碱的用量及人工成本，而碳酸氢钠的原料成本与碳酸氢铵的成本基本持平，从而降低了制造成本，经过大量的实验发现，替代后的合成工艺参数，温度在50℃～60℃，pH在7.5～8.0时，反应沉降较完全，碱式碳酸钴转化率最高，反应过程中的上层清液钴含量最少，最终产品杂质(特别是Na+)含量低，产品质量达到预期的目标。

1反应机理

采用工业级硫酸钴及碳酸氢钠为原料，经中和反应即得到目标产物。

2工艺改进实验

2.1合成过程及终点

时pH值对产品的影响经过反复实验，使用比重为1.06的碳酸氢钠溶液为固定参数，以工艺过程中pH值及终点pH值为变量。通过以上实验数据分析，当工艺参数为合成过程pH=6～7，合成终点pH=7.5～8.0，原料硫酸钴比重为1.24时，所得最终产品中杂质(尤其是Na+)含量最低，且反应釜内的上层清液中钴离子的含量也最低，而企业的经营，是一个最大限度追求利润的过程，产品的生产过程是以满足客户要求为前提，尽可能地提高生产效率，降低生产成本，来达到利润最大化。从工厂的利润最大化的角度出发，容积相同的反应设备，比重大的原料，单位时间内所产的成品量会高，故合适的工艺参数为:合成过程pH=6～7，合成终点pH=7.5～8.0，原料硫酸钴比重为1.27。

2.2过饱和状态的影响

通过实验发现，碳酸氢钠与硫酸钴的合成速率与最终产品的质量有很大的联系，合成反应的速率的快慢，直接的外在表现就是晶形的粗细。产品成核的过程是在产品溶液的过饱和状态下发生的，成核的速率快于生产速率，则最终出现的晶形较细，而当生产速率大于成核速率时，最终出现的晶形则较粗，在工业结晶器中，多数晶核是由于接触成核而产生，在这种情况下，成核速度是搅拌强度。

2.3影响钴离子流失的因素

取反应釜沉降后的上层清液，通过改变加入氢氧化钠与50%双氧水的量，同时控制加入碱及氧化剂后，沉降时的pH值及反应温度，来控制反应过程中钴离子的流失。

3效果验证

3.1消除生产过程氨及硫化氢气体

使用碳酸氢钠取代碳酸氢铵，由于整个生产工艺过程，没有引入铵盐及含硫物料，故彻底消除了生产过程中产生的氨及硫化氢气体，解放了车间的气体吸收装置，对现场作业环境起到较好改善作用。

3.2保证产品的质量

工艺的调整一定是在不影响产品质量的前提下进行的，本次通过以大量的实验数据分析为前提，以车间试产进行验证，验证的结果表明:使用碳酸氢钠对碳酸氢铵原料进行替代，没有对最终产品的质量造成任何影响，所试产的批次产品均符合国家试剂标准，达到预期的目标。

3.3节约生产

成本企业的经营，成本是其经济效益的综合反映，是对企业生产经营活动最敏感的经济指标之一。本次通过工艺的改进，进行原料的替代，经过车间试生产数据的收集、对比与分析(如图2和图3所示)，我们发现生产过程中日均减少了碱液用量1457kg且硫酸耗用量减少1036kg，降低了生产碱式碳酸钴的成本。

4结论

本文通过对碱式碳酸钴工艺的改进，使用碳酸氢钠替代碳酸氢铵与硫酸钴进行合成反应，综合考虑工艺流程中多变量影响因素，如PH值、温度、比重等对最终产品碱式碳酸钴的影响，通过大量实验数据的分析和优化，找出了合适的工艺参数，并在车间试生产得到验证，达到了消除氨及硫化氢气体产生，改善了作业现场的工作环境，同时降低了生产的成本，最终产品符合预定的目标。但本次工艺改进项目仍有不足的地方，主要体现在洗涤工序阶段，洗涤次数较多，纯水使用量大，增加污水处理量，后续可考虑进行洗涤液回收利用实验。

参考文献

［1］文建军，刘锋.不同来源碱式碳酸钴的水溶解性能研究［J］．石油炼制与化工，2013，44(5):6－9.

［2］吴卉.青花幽靓、钴蓝生辉———钴在青花瓷中的着色应用［J］．福建轻纺，2009(6):43－46.

［3］张立，王振波，余贤旺，等.碱式碳酸钴的热离解过程与形貌继承性［J］．粉末冶金材料科学与工程，2010，15(6):679－684.

［4］王正工，周凤岐.钴(Ⅲ)氨配合物及配离子的颜色［J］．大学化学，1993，8(4):17－18.

［5］刘光霞.KDP晶体生长动力学的数值模拟研究［D］．济南:山东大学晶体材料研究所，2014.

作者：吴庆生 单位：广东光华科技股份有限公司