裴新意,趙鵬,王尉和(長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安　710054)

摘　要:將微硅粉和生石灰以質(zhì)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(zhì)量比1∶7. 5加入鹽酸溶液中進(jìn)行酸溶,經(jīng)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(dá)99. 9%的白炭黑。

關(guān)鍵詞:微硅粉;生石灰;鹽酸;白炭黑;煅燒

中圖分類號(hào):TQ 127. 2　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A　文章編號(hào): 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(chǎn)品,經(jīng)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(xì)球形顆粒[1]。形成過程是硅蒸汽在煙道上升,與氧結(jié)合成二氧化硅煙霧,受冷凝結(jié)為細(xì)小的球狀玻璃態(tài)微珠,結(jié)構(gòu)為二氧化硅不定形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2-3]。目前我國微硅粉主要用于混凝土行業(yè),國外已把微硅粉應(yīng)用在建筑、冶金、水泥、化肥、化工等工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,與國外相比應(yīng)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(xì)粉狀物,具有多孔性、高分散、質(zhì)輕、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、不燃燒和電絕緣性好等優(yōu)異性能,廣泛應(yīng)用于橡膠、化學(xué)機(jī)械拋光、塑料工業(yè)、超細(xì)復(fù)合粒子、造紙等方面[4-5]。傳統(tǒng)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(guī)模不大,但能耗高,對(duì)環(huán)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(yīng)用價(jià)值。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　試劑與儀器

微硅粉采用寧夏某地硅鐵合金副產(chǎn)品硅灰(化學(xué)成分見表1);生石灰為工業(yè)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(dòng)白度計(jì); SRJ-2型高溫箱式電阻爐;6511型電動(dòng)攪拌機(jī); DZKW-4型電子恒溫水浴鍋;ZXZ-2型直聯(lián)旋片式真空泵; 101型電熱鼓風(fēng)干燥箱等。

1.2　實(shí)驗(yàn)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(tuán)聚的熟料,繼續(xù)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(zhì)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?yōu)闇\黃色膠狀溶膠,再持續(xù)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(xù)清洗3~4次,用硝酸銀檢驗(yàn)直至無Cl-為止, 110℃電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干,得到白炭黑,其工藝流程見圖1。

2　結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)由煅燒、酸溶、陳化及干燥脫水4個(gè)階段組成,現(xiàn)分階段進(jìn)行闡述。

2.1　煅燒階段

微硅粉致密的玻璃態(tài)表面使微硅粉不溶于酸(氫氟酸除外)和堿,因此煅燒的關(guān)鍵是如何破壞打開微硅粉玻璃態(tài)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(qiáng)烈的堿性與微硅粉微粒反應(yīng),破壞微硅粉表面硅氧鍵,二氧化硅與生石灰反應(yīng)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(yīng)屬固液多相反應(yīng),其中包括硅酸鈣的溶解和硅酸凝聚兩種反應(yīng):

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(jìn)行酸溶反應(yīng),硅酸鈣與酸反應(yīng)速度極快, 5 min左右就能完全溶解。硅酸鈣溶解反應(yīng)速度遠(yuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)楣杷崮z,酸溶反應(yīng)要在較高溫度(90℃)下進(jìn)行,待溶液變?yōu)闇\黃色膠狀溶膠后持續(xù)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(tuán)之間相互有效碰撞概率加大,迅速成長為大分子簇團(tuán),生成的大分子簇團(tuán)結(jié)構(gòu)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(jīng)濃縮結(jié)晶,得到氯化鈣副產(chǎn)品;下層沉淀物經(jīng)抽濾,清洗3~4次,用硝酸銀檢驗(yàn)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(shí),游離態(tài)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(cè)二氧化硅含量達(dá)到99. 9%以上,粒度分析結(jié)果平均粒徑為11. 15μm,白度計(jì)測(cè)試白度結(jié)果為96,已達(dá)到白炭黑的技術(shù)指標(biāo)。

3　結(jié)論

(1)微硅粉和生石灰以質(zhì)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(dá)到99. 9%以上,平均粒徑為11. 15μm,白度為96,已達(dá)到白炭黑的技術(shù)指標(biāo)。

(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(yīng)用價(jià)值。

       (4)目前市場(chǎng)微硅粉的價(jià)格為1千元/t左右,白炭黑6千元/,t因此,明顯提高了經(jīng)濟(jì)價(jià)值。