裴新意,赵鹏,王尉和(长安大学材料科学与工程学院,陕西西安 710054)
摘 要:将微硅粉和生石灰以质量比1∶1充分混合研磨, 1 100℃下煅烧0. 5 h,煅烧成硅酸钙为主要成分的熟料;按固液质量比1∶7. 5加入盐酸溶液中进行酸溶,经稀释陈化、清洗、抽滤、烘干等工艺,制备出白度为96、平均粒径为11. 15μm、二氧化硅纯度达99. 9%的白炭黑。
关键词:微硅粉;生石灰;盐酸;白炭黑;煅烧
中图分类号:TQ 127. 2 文献标识码:A 文章编号: 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
微硅粉通常又称硅粉、硅灰或活性硅,是硅合金与硅铁合金制造过程中的一种副产品,经收尘器从电弧炉烟气中收集到的、无定形二氧化硅含量很高的微细球形颗粒[1]。形成过程是硅蒸汽在烟道上升,与氧结合成二氧化硅烟雾,受冷凝结为细小的球状玻璃态微珠,结构为二氧化硅不定形网络结构[2-3]。目前我国微硅粉主要用于混凝土行业,国外已把微硅粉应用在建筑、冶金、水泥、化肥、化工等工农业领域,与国外相比应用程度较低。
白炭黑又称水合二氧化硅,分子式为SiO2·nH2O。是一种白色、无毒、无定型微细粉状物,具有多孔性、高分散、质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧和电绝缘性好等优异性能,广泛应用于橡胶、化学机械抛光、塑料工业、超细复合粒子、造纸等方面[4-5]。传统沉淀法白炭黑是水玻璃与酸作用,先生成硅酸,然后分解制得。该法原料易得、流程简单、投资规模不大,但能耗高,对环境要求较高[6]。本文以固体废弃物微硅粉作为硅源与生石灰煅烧,酸溶制得高纯度白炭黑,拓展了微硅粉综合利用范围,提高了微硅粉的应用价值。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
微硅粉采用宁夏某地硅铁合金副产品硅灰(化学成分见表1);生石灰为工业品;盐酸为分析纯;自来水。
JXA-8100电子探针; GSL-101B激光粒度分布仪;NSD-全自动白度计; SRJ-2型高温箱式电阻炉;6511型电动搅拌机; DZKW-4型电子恒温水浴锅;ZXZ-2型直联旋片式真空泵; 101型电热鼓风干燥箱等。
1.2 实验方法
称量微硅粉、生石灰各25 g,在研钵中充分混合研磨,为使微硅粉和石灰紧密接触,混料要稍加压制,取出粉碎混料;装入坩埚,直接放入温度已升至1 100℃高温箱式电阻炉中,煅烧0. 5 h后,取出炉外骤然冷却,得到松散团聚的熟料,继续碎至120目。取体积浓度为21%的盐酸溶液150 mL,置于电子恒温水浴锅中加热,待水温升至90℃后,按固液质量比1∶7. 5边搅拌边加入20 g熟料;溶液由浅黄色液体逐渐变为浅黄色胶状溶胶,再持续搅拌0. 5 h,加水稀释至pH为3~4, 90℃陈化8~12 h,倒出上层清液,抽滤,用水连续清洗3~4次,用硝酸银检验直至无Cl-为止, 110℃电热鼓风干燥箱内烘干,得到白炭黑,其工艺流程见图1。
2 结果与讨论
实验由煅烧、酸溶、陈化及干燥脱水4个阶段组成,现分阶段进行阐述。
2.1 煅烧阶段
微硅粉致密的玻璃态表面使微硅粉不溶于酸(氢氟酸除外)和碱,因此煅烧的关键是如何破坏打开微硅粉玻璃态表面,生成易溶于酸的化合物。高温煅烧是利用生石灰在高温条件下具有强烈的碱性与微硅粉微粒反应,破坏微硅粉表面硅氧键,二氧化硅与生石灰反应生成硅酸钙:
SiO2+CaO CaSiO3
硅酸钙易溶于盐酸,为分离二氧化硅,制备白炭黑提供了必要条件。
2.2 酸溶阶段
熟料(硅酸钙)与盐酸反应属固液多相反应,其中包括硅酸钙的溶解和硅酸凝聚两种反应:
CaSiO3+2HCl→H2SiO3(溶胶) +CaCl2mH2SiO3→mSiO2·nH2O
酸溶是硅酸钙溶解生成硅酸、硅酸成核过程。将熟料(硅酸钙)加入到盐酸溶液中, pH值控制为1~2, 90℃进行酸溶反应,硅酸钙与酸反应速度极快, 5 min左右就能完全溶解。硅酸钙溶解反应速度远大于硅酸聚合速度,迅速溶解生成硅酸,以硅酸溶胶形式存在体系中[7]。为阻止硅酸溶胶转变为硅酸凝胶,酸溶反应要在较高温度(90℃)下进行,待溶液变为浅黄色胶状溶胶后持续搅拌0. 5 h。
2.3 陈化阶段
加水稀释至pH 3~4,在90℃下陈化8~12 h,是硅酸晶核长大、分子聚合的过程。升高陈化温度能加快分子聚合速度,使分子团之间相互有效碰撞概率加大,迅速成长为大分子簇团,生成的大分子簇团结构疏松[8]。
2.4 脱水干燥阶段
陈化后硅酸沉淀于溶液底层,倒出上层清液,溶液中的氯化钙大部分被排出,经浓缩结晶,得到氯化钙副产品;下层沉淀物经抽滤,清洗3~4次,用硝酸银检验直至不含Cl-为止;在110℃下烘干,脱去二氧化硅吸附水,得到白炭黑。倒出上层清液时,游离态的硅酸分子不可避免地随溶液一起排出,造成了二氧化硅的流失,降低了二氧化硅的回收率。电子探针检测二氧化硅含量达到99. 9%以上,粒度分析结果平均粒径为11. 15μm,白度计测试白度结果为96,已达到白炭黑的技术指标。
3 结论
(1)微硅粉和生石灰以质量比1∶1充分混合研磨,在1 100℃下煅烧0. 5 h,煅烧成硅酸钙为主要成分的熟料,是微硅粉制备白炭黑的必要条件。
(2)白炭黑样品的二氧化硅含量达到99. 9%以上,平均粒径为11. 15μm,白度为96,已达到白炭黑的技术指标。
(3)微硅粉作为硅源与生石灰煅烧、酸溶、陈化、清洗抽滤制备白炭黑工艺具有较高的应用价值。
(4)目前市场微硅粉的价格为1千元/t左右,白炭黑6千元/,t因此,明显提高了经济价值。
