裴新意,趙鵬,王尉和(長安大學材料科學與工程學院,陜西西安 710054)
摘 要:將微硅粉和生石灰以質量比1∶1充分混合研磨, 1 100℃下煅燒0. 5 h,煅燒成硅酸鈣為主要成分的熟料;按固液質量比1∶7. 5加入鹽酸溶液中進行酸溶,經稀釋陳化、清洗、抽濾、烘干等工藝,制備出白度為96、平均粒徑為11. 15μm、二氧化硅純度達99. 9%的白炭黑。
關鍵詞:微硅粉;生石灰;鹽酸;白炭黑;煅燒
中圖分類號:TQ 127. 2 文獻標識碼:A 文章編號: 1671-3206(2008)02-0129-02
Research ofproducing silica white through light silicon ash limesintering and acid dissolving PEIXin-yi,ZHAO Peng,WANGWei-he
School ofMaterials Science and Engineering,Chang’anUniversity,Xi’an 710054,China)Abstract:Adequatelymix the light silicon ash and lime with the quality ratio 1∶1, and get the silicatematerials through sintering at1 100℃for0. 5 h.According to the solid and liquidweightratio1∶7. 5 putthe silicatematerials in hydrochloric acid solution to dissolve, afterdiluting, rinsing, filtrating and drying,etc, the silicawhite sampleswith thewhiteness is96, the granularity is11. 15μm, and the purity ofSiO2is 99. 9% are obtained.
Key words:light silicon ash; lime; hydrochloric acid; silicawhite; sintering
微硅粉通常又稱硅粉、硅灰或活性硅,是硅合金與硅鐵合金制造過程中的一種副產品,經收塵器從電弧爐煙氣中收集到的、無定形二氧化硅含量很高的微細球形顆粒[1]。形成過程是硅蒸汽在煙道上升,與氧結合成二氧化硅煙霧,受冷凝結為細小的球狀玻璃態微珠,結構為二氧化硅不定形網絡結構[2-3]。目前我國微硅粉主要用于混凝土行業,國外已把微硅粉應用在建筑、冶金、水泥、化肥、化工等工農業領域,與國外相比應用程度較低。
白炭黑又稱水合二氧化硅,分子式為SiO2·nH2O。是一種白色、無毒、無定型微細粉狀物,具有多孔性、高分散、質輕、化學穩定性好、耐高溫、不燃燒和電絕緣性好等優異性能,廣泛應用于橡膠、化學機械拋光、塑料工業、超細復合粒子、造紙等方面[4-5]。傳統沉淀法白炭黑是水玻璃與酸作用,先生成硅酸,然后分解制得。該法原料易得、流程簡單、投資規模不大,但能耗高,對環境要求較高[6]。本文以固體廢棄物微硅粉作為硅源與生石灰煅燒,酸溶制得高純度白炭黑,拓展了微硅粉綜合利用范圍,提高了微硅粉的應用價值。
1 實驗部分
1.1 試劑與儀器
微硅粉采用寧夏某地硅鐵合金副產品硅灰(化學成分見表1);生石灰為工業品;鹽酸為分析純;自來水。
JXA-8100電子探針; GSL-101B激光粒度分布儀;NSD-全自動白度計; SRJ-2型高溫箱式電阻爐;6511型電動攪拌機; DZKW-4型電子恒溫水浴鍋;ZXZ-2型直聯旋片式真空泵; 101型電熱鼓風干燥箱等。
1.2 實驗方法
稱量微硅粉、生石灰各25 g,在研缽中充分混合研磨,為使微硅粉和石灰緊密接觸,混料要稍加壓制,取出粉碎混料;裝入坩堝,直接放入溫度已升至1 100℃高溫箱式電阻爐中,煅燒0. 5 h后,取出爐外驟然冷卻,得到松散團聚的熟料,繼續碎至120目。取體積濃度為21%的鹽酸溶液150 mL,置于電子恒溫水浴鍋中加熱,待水溫升至90℃后,按固液質量比1∶7. 5邊攪拌邊加入20 g熟料;溶液由淺黃色液體逐漸變為淺黃色膠狀溶膠,再持續攪拌0. 5 h,加水稀釋至pH為3~4, 90℃陳化8~12 h,倒出上層清液,抽濾,用水連續清洗3~4次,用硝酸銀檢驗直至無Cl-為止, 110℃電熱鼓風干燥箱內烘干,得到白炭黑,其工藝流程見圖1。
2 結果與討論
實驗由煅燒、酸溶、陳化及干燥脫水4個階段組成,現分階段進行闡述。
2.1 煅燒階段
微硅粉致密的玻璃態表面使微硅粉不溶于酸(氫氟酸除外)和堿,因此煅燒的關鍵是如何破壞打開微硅粉玻璃態表面,生成易溶于酸的化合物。高溫煅燒是利用生石灰在高溫條件下具有強烈的堿性與微硅粉微粒反應,破壞微硅粉表面硅氧鍵,二氧化硅與生石灰反應生成硅酸鈣:
SiO2+CaO CaSiO3
硅酸鈣易溶于鹽酸,為分離二氧化硅,制備白炭黑提供了必要條件。
2.2 酸溶階段
熟料(硅酸鈣)與鹽酸反應屬固液多相反應,其中包括硅酸鈣的溶解和硅酸凝聚兩種反應:
CaSiO3+2HCl→H2SiO3(溶膠) +CaCl2mH2SiO3→mSiO2·nH2O
酸溶是硅酸鈣溶解生成硅酸、硅酸成核過程。將熟料(硅酸鈣)加入到鹽酸溶液中, pH值控制為1~2, 90℃進行酸溶反應,硅酸鈣與酸反應速度極快, 5 min左右就能完全溶解。硅酸鈣溶解反應速度遠大于硅酸聚合速度,迅速溶解生成硅酸,以硅酸溶膠形式存在體系中[7]。為阻止硅酸溶膠轉變為硅酸凝膠,酸溶反應要在較高溫度(90℃)下進行,待溶液變為淺黃色膠狀溶膠后持續攪拌0. 5 h。
2.3 陳化階段
加水稀釋至pH 3~4,在90℃下陳化8~12 h,是硅酸晶核長大、分子聚合的過程。升高陳化溫度能加快分子聚合速度,使分子團之間相互有效碰撞概率加大,迅速成長為大分子簇團,生成的大分子簇團結構疏松[8]。
2.4 脫水干燥階段
陳化后硅酸沉淀于溶液底層,倒出上層清液,溶液中的氯化鈣大部分被排出,經濃縮結晶,得到氯化鈣副產品;下層沉淀物經抽濾,清洗3~4次,用硝酸銀檢驗直至不含Cl-為止;在110℃下烘干,脫去二氧化硅吸附水,得到白炭黑。倒出上層清液時,游離態的硅酸分子不可避免地隨溶液一起排出,造成了二氧化硅的流失,降低了二氧化硅的回收率。電子探針檢測二氧化硅含量達到99. 9%以上,粒度分析結果平均粒徑為11. 15μm,白度計測試白度結果為96,已達到白炭黑的技術指標。
3 結論
(1)微硅粉和生石灰以質量比1∶1充分混合研磨,在1 100℃下煅燒0. 5 h,煅燒成硅酸鈣為主要成分的熟料,是微硅粉制備白炭黑的必要條件。
(2)白炭黑樣品的二氧化硅含量達到99. 9%以上,平均粒徑為11. 15μm,白度為96,已達到白炭黑的技術指標。
(3)微硅粉作為硅源與生石灰煅燒、酸溶、陳化、清洗抽濾制備白炭黑工藝具有較高的應用價值。
(4)目前市場微硅粉的價格為1千元/t左右,白炭黑6千元/,t因此,明顯提高了經濟價值。
