工业废弃物锆硅渣生产白炭黑.pdf

文章编号 10044736 200204002502 工业废弃物锆硅渣生产白炭黑 陈文利 1, 欧阳贻德2, 姚本林1 , 陈 中 2 1. 武汉化工学院分析测试中心; 2. 武汉化工学院化工系, 湖北 武汉 430073 摘 要 研究用锆硅渣、 含碱废液, 由晶种法制白炭黑的工艺条件. 在最佳工艺条件下, 二氧化硅的质量分数达 到 91. 3 , 产品质量符合 GB1051789 标准. 关键词 白炭黑; 水合二氧化硅; 工业废弃物 中图分类号 O 611. 4; TQ 171. 418 文献标识码 A 收稿日期 20020610 作者简介 陈文利 1970 , 男, 湖南益阳人, 硕士, 工程师, 主要从事分析测试及生物化工研究. 0 引 言 白炭 黑, 又 名 水 合 二 氧 化 硅, 分 子 式 SiO2nH2O, 是一种重要的无机化工产品, 具有耐 高温、 不燃烧、 高电绝缘性、 多孔性、 高表面活性和 内表面积大等特点. 在橡胶、 塑料、 农药、 油漆、 制 药、 造纸、 瓷器、 日用化学品等各个领域有着广泛 用途 [ 1] . 目前工业上生产白炭黑的方法可分为气 相法和沉淀法两类 [ 2, 3] , 前者以四氯化硅为原料, 成本较高, 后者以水玻璃为原料, 与无机酸反应制 取白炭黑. 近年来, 随着改革开放的快速发展, 国 内白炭黑产量尽管急剧增长, 但仍不能满足市场 需求, 需要大量进口. 国内外大多采用碱熔法生产高纯二氧化锆, 但长期以来由于污染严重影响了锆化合物生产的 发展. 近年来, 氧化锆及其他锆化合物的需求量不 断增加, 随着生产规模的扩大, 氧化锆生产过程中 产生的大量废弃物的处理问题也日益突出 [ 4] . 本 文对锆硅渣进行综合利用研究, 利用锆硅渣、 含碱 废液制备出白炭黑产品, 产品性能达到了橡胶用 白炭黑的技术指标 GB1051789 . 1 实验部分 1. 1 硅渣性质 硅渣外观呈淡黄绿色, 有少量黑色颗粒; 水浸 后呈强酸性, pH 1, 充分搅拌静置后, 底部有少 量砂质杂质. 硅渣固含量为 20. 5, 硅含量为 7. 42, 铁含量为 0. 087, 锆含量为 1. 32 . 1. 2 含碱硅酸钠溶液性质 溶液清亮透明, 硅酸钠含量为 34 , 氢氧 化钠为 15 , 水为 80, 氧化锆为 1 2 . 1. 3 白炭黑的制备 1. 3. 1 基本原理和工艺 采用晶种法制白炭 黑. 先将盐酸与锆硅渣制成硅溶胶, 再加入一定浓 度的含碱硅酸钠溶液, 反应一段时间后, 即可得到 无定形水合二氧化硅 白炭黑, 其反应式为 Na2SiO3 2HCl nH2O y SiO2 n 1H2O 2NaCl SiO2 n 1 H2O Na2OmSiO2y SiO2ncH2O Na2OmcSiO2 工艺流程如图 1 所示. 图 1 制备白炭黑的工艺流程 Fig. 1 Process flow chart of preparation of silica white 1. 3. 2 制备过程 a. 酸性硅溶胶的制备 称取 一定量的硅渣, 加入适量的水, 强烈搅拌, 倾去砂 等杂质, 然后离心分离, 弃去溶液, 底浆用水配成 硅溶胶. b. 白炭黑的制备 将一定浓度的含碱硅酸 钠溶液, 置于恒温槽中, 在剧烈搅拌下加入上述所 得酸性硅溶胶, 同时加入少量分散剂, 进行反应. 反应完后, 调节溶液 pH 值为 8, 然后保温 2030 min. 停止反应后在 8090 e 调节 pH 值, 陈化 1 h 左右. 过滤, 用水多次洗涤滤饼, 直到滤液中无 Cl - 检出. 将滤饼于 110120 e 烘干, 经粉碎后即 第 24 卷 第 4 期 武 汉 化 工 学 院 学 报 Vol. 24 No. 4 2002 年 12 月 J. Wuhan Inst. Chem. Tech. Dec. 2002 得产品白炭黑. 2 结果与讨论 2. 1 溶胶分析 白炭黑的质量很大程度上取决于溶胶的质 量. 比较稳定而又有生产价值的溶胶, pH 值范围 比较狭窄, SiO2含量影响也很大. 在试验过程中, pH 小于 3, 反应速度过快, 溶胶析出絮状物、 凝胶 或冻胶; pH 大于 4反应较慢. 实验还发现, 溶胶的 SiO2含量不能太小和太大, 低于 4时, 反应时间 很长; 大于 9 时溶胶不稳定. 因此经过反复试 验, 溶胶的 SiO2含量应控制在 4 9, pH 值在 34. 2. 2 白炭黑合成工艺 2. 2. 1 反应温度的确定 在反应温度低于 50 e 情况下, 不可能发生 SiO2的成核、 粒子增长及补 强过程. 随着温度升高, 吸油值与表面积下降. 试 验结果表明在 5070 e 的范围内效果较好. 2. 2. 2 pH 值的选择 酸性条件下, SiO2不可能 完全成核及进行粒子增长反应, pH 值在 57之间, 极容易形成凝胶, pH 值小于 5 不易制得沉淀白炭 黑, 而 pH 值大于 10, 溶胶将部分解聚为硅酸盐粒 子. 试验表明 pH 值在 8 左右较好. 2. 3 正交试验 硅酸钠浓度、 硅溶胶浓度和反应温度是影响 白炭黑质量的主要相关因素, 因此进行三因素三 水平正交试验 见表 1 . 结果显示锆硅渣及含碱 废液反应制备白炭黑的适宜工艺条件为 含碱硅 酸钠浓度 20, 硅溶胶浓度 140 gP L, 反应温度 60 e . 所得白炭黑二氧化硅含量为 91. 3, 其它指 标也均符合要求 见表 2 . 表 1 L934因素水平表 Table 1 L934 Factors and levels of orthogonal design 水平ABC 11512050 22014060 32516070 注 A 含碱硅酸钠浓度 P ; B 硅溶胶浓度gL- 1; C 反应温度/ e 表 2 所得白炭黑的试验结果 Table 2 The test result of silica white 指 标 项 目指 标 二氧化硅含量P 91. 3 白度89 灼烧减量P 5. 1 pH 值56 3 结 语 以锆硅渣与废碱液为原料, 用晶种法制备白 炭黑, 工艺可行, 设备简单, 用于工业生产, 能起到 净化环境、 节约能源的作用, 具有一定的经济效益 和社会效益. 参考文献 [1] 戴志成, 刘洪章. 硅化合物的生产与应用[ M]. 成都 成都科技大学出版社, 1994, 227230. [2] 化学工业部天津化工研究院, 等. 化工产品手册 无 机化工产品[ M]. 北京 化学工业出版社, 1988, 368 370. [3] 汪忠根. 白炭黑的制造[ J]. 无机盐工业, 1994, 3 2225. [4] 黄传勇, 唐子龙, 张中太. 纳米级二氧化锆粉体合成 新方法[J]. 硅酸盐学报, 2000, 281 1112. Preparation of silica white from the industrial waste of silica residue containing zirconium CHEN Wenli 1, OUYANG Yi de 2, YAO Ben lin 1, CHEN Zhong2 1. Analysis and Test Center, Wuhan Insitiute of Chemical Technology; 2. Department of Chemical Engineering, Wuhan Institute of Chemical Technology, Wuhan 430073, China Abstract The process conditions for preparation of silica white have been studied, which was made by inocu - lating crystal process with the silica residue containing zirconium and alkaline liguor. Under the optimum process conditions, the content of SiO2in the product comes up to 91. 3. The quality of the product can meet the requirement of Chinese standard GB1051789. Key words silica white; hydrated silica; industrial waste 本文编辑 付中林 26 武汉化工学院学报第 24卷