專利名稱：一種水合二氧化硅的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水合二氧化硅的制備方法，特別涉及用冶金水淬渣(煉鐵水淬渣、煉銅水淬渣，以下簡稱“冶金水淬渣”)制備水合二氧化硅的制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)制備水合二氧化硅的方法有兩一是以四氯化硅為原料，將四氯化硅蒸汽與氫氣和空氣均勻混合并于高溫(1100～1800`C)下經(jīng)反應(yīng)、水解、凝結(jié)制得水合二氧化硅；二是以水玻璃為原料，經(jīng)直接酸化疏松(或采用CO2高溫氣體炭化)，制備以絮狀結(jié)構(gòu)沉淀的水合二氧化硅。但以上兩種方法都需要價格不菲的化工原料，成本較高。
本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種以冶金水淬渣為原料制備水合二氧化硅(SiO2·mH2O)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述目的，本發(fā)明提供一種以冶金水淬渣為原料，經(jīng)硫酸酸解后分離得到水合硅酸混合溶液，該混合溶液經(jīng)調(diào)整pH值、除雜、陳化后，混合溶液內(nèi)水合硅酸進行縮聚反應(yīng)，后經(jīng)分離、洗滌、烘干得到水合二氧化硅的制備方法。
按上述發(fā)明制備的水合二氧化硅是由冶金水淬渣酸解后產(chǎn)物——水合硅酸的陳化、縮聚得到，而不是從酸解過程的沉淀物中得到。
現(xiàn)將本發(fā)明所涉及的原料冶金水淬渣以及具體的制備方法介紹如下1、冶金水淬渣及其理化特性本發(fā)明所涉及的主要制備原料為冶金水淬渣，即煉鐵水淬渣或煉銅水淬渣，其主要化學(xué)組成為鈣、硅、鎂、鋁的氧化物，它是高溫熔渣(T鐵水淬渣＞1773K，T銅水淬渣＞1623K)流入沖渣池中水淬，驟然冷卻爆裂所得。由于急冷來不及析晶，渣中各氧化物均勻分布，結(jié)構(gòu)基本呈亞穩(wěn)的非晶態(tài)，從而有良好的化學(xué)活性，結(jié)構(gòu)極易被酸解、重整。其典型的化學(xué)成分見表1、表2
表1.煉鐵水淬渣主要成分成分 SiO2CaO Al2O3MgO 其它質(zhì)量比(％) 34.3837.89 14.24 10.123.37表2.煉銅水淬渣主要成分成分Fe2O3FeO CaO Al2O3SiO2CuO其它質(zhì)量比(％) 6.23 43.21 1.211.38 30.78 4.31 12.882、制備方法的具體步驟如下(1)定量稱取煉鐵水淬渣或煉銅水淬渣放入耐酸的反應(yīng)釜或反應(yīng)容器中。
(2)配制好確定濃度的硫酸，適宜的硫酸濃度范圍w＝5％～25％。
(3)依據(jù)渣的化學(xué)組成，按酸與渣反應(yīng)所需的化學(xué)計量關(guān)系[見反應(yīng)(1)]過量1.2～2倍量取硫酸溶液。
(4)將酸溶液在室溫下緩緩倒入反應(yīng)釜中對渣進行酸解，并不斷攪拌，過程中由于反應(yīng)放熱，反應(yīng)體系溫度可達70℃以上，通過水浴控制反應(yīng)溫度恒溫在70℃左右，讓反應(yīng)持續(xù)30～40分鐘后靜置，若體系再無氣泡產(chǎn)生且測定pH值在1以下穩(wěn)定不變，則認(rèn)為反應(yīng)酸解結(jié)束，否則適當(dāng)延長反應(yīng)時間至反應(yīng)結(jié)束，但整個反應(yīng)時間控制在1小時內(nèi)。實際的用酸量由反應(yīng)終點的pH值決定。
(5)將酸解反應(yīng)產(chǎn)物過濾去除沉淀物(主要為酸不溶物)，提取上清液(水合硅酸為主的混合溶液)；然后再用NaOH或氨水調(diào)整pH值3-7之間某確定值，使溶液中雜質(zhì)離子生成不溶物沉淀，再分離出上清液，置于容器中陳化約2～5小時，陳化溫度范圍70℃-95℃，過程中體系自行進行縮聚反應(yīng)出現(xiàn)膠狀水合二氧化硅聚集粒子。加入濃硫酸攪拌溶解雜質(zhì)，后加水稀釋并攪拌，水加入量以滿足體系逐步出現(xiàn)固、液分相為度，則體系逐步出現(xiàn)固、液分相，經(jīng)分離所得到的固相產(chǎn)物經(jīng)洗滌到pH值等于6后烘干，可得到工業(yè)級品質(zhì)的水合二氧化硅，分子式為SiO2·mH2O，依據(jù)不同的水解溫度與pH值，m可在1/4到1/10間變動。
如預(yù)定將酸解濾液的pH值調(diào)整到3以下的某確定值，則按如下步驟進行將反應(yīng)產(chǎn)物過濾去除沉淀物(主要為酸不溶物)，提取上清液(水合硅酸為主的混合溶液)，再用NaOH或氨水調(diào)整pH值到3以下的確定值，后置于容器中陳化約2～5小時，陳化溫度合理范圍70℃-95℃，過程中體系自行進行縮聚反應(yīng)出現(xiàn)膠狀水合二氧化硅聚集粒子，再加適量水并攪拌充分，冷卻、靜置，經(jīng)分離所得到的固相物質(zhì)即為水合二氧化硅。將所得產(chǎn)物去經(jīng)洗滌到pH值等于6后烘干，可得到工業(yè)級品質(zhì)的水合二氧化硅，分子式為SiO2·mH2O，依據(jù)不同的水解溫度與pH值，m可在1/4到1/10間變動。
需要進一步說明的是，在所研究體系中，硅酸的聚合與水合二氧化硅的生成過程可以在pH＜7的任何確定值下完成，但pH值不同，酸、堿用量與產(chǎn)品的純度、質(zhì)量存在差異。
制備過程的主要反應(yīng)可寫為(1)(2)本方法的優(yōu)點在于用冶金渣為原料制備水合二氧化硅，不僅成本低，效益明顯，而且實現(xiàn)了固體排放物的高附加值利用，同時帶來良好的環(huán)境與生態(tài)效益。
具體實施例方式實施例1提前先配制好15％的硫酸備用。將煉鐵水淬渣放入烘箱中于120℃溫度下干燥90分鐘，出去表面與管道內(nèi)的吸附水，用分析天平稱渣樣100g，并倒入1000ml燒杯中，取850毫升預(yù)先配置好的15％硫酸溶液緩緩倒入燒杯中與渣反應(yīng)，并不斷用玻璃棒攪拌，不斷用水銀溫度計監(jiān)測溫度變化，待反應(yīng)體系溫度不再上升，將燒杯移至70℃的恒溫水浴中繼續(xù)反應(yīng)，過程中用pH計觀測體系pH值變化，反應(yīng)進行40分鐘時暫停攪拌并靜置觀察(此時體系pH值在1以下并基本穩(wěn)定)，如體系內(nèi)已經(jīng)沒有明顯氣泡產(chǎn)生，則酸解過程結(jié)束。
將反應(yīng)產(chǎn)物進行抽濾并用80毫升蒸餾水洗滌濾餅3次，將濾出液倒入另一干凈1000毫升燒杯中，再用NaOH或氨水將pH值調(diào)整到3，將該燒杯放入95℃的恒溫水浴中陳化5小時，此時體系內(nèi)硅酸已經(jīng)聚合膠凝。取出燒杯，將300毫升蒸餾水倒入燒杯中并充分?jǐn)嚢韬箪o置、冷卻到室溫，過濾，用蒸餾水反復(fù)洗濾餅至pH值等于6，將濾餅烘干、研磨即得到最終產(chǎn)品水合二氧化硅SiO2·mH2O。
實施例2提前配制好10％的硫酸備用。將煉銅水淬渣放入烘箱中于120℃溫度下干燥90分鐘，出去表面與管道內(nèi)的吸附水，用分析天平稱渣樣50g，并倒入1500ml燒杯中，取1200毫升預(yù)先配置好的10％硫酸溶液緩緩倒入燒杯中與渣反應(yīng)，并不斷用玻璃棒攪拌，用水銀溫度計監(jiān)測溫度變化，待反應(yīng)體系溫度不再上升，將燒杯移至70℃的恒溫水浴中繼續(xù)反應(yīng)，過程中用pH計觀測體系pH值變化，反應(yīng)進行35分鐘時暫停攪拌并靜置觀察(此時體系pH＜1且基本恒定)，如體系內(nèi)已經(jīng)沒有明顯氣泡產(chǎn)生，則酸解過程結(jié)束。將反應(yīng)產(chǎn)物進行抽濾并用100毫升蒸餾水洗滌濾餅3次，將濾出液倒入另一干凈1500毫升燒杯中，再用NaOH或氨水將pH值調(diào)整到5.5后過濾，將裝濾液的燒杯放入95℃的恒溫水浴中陳化2小時，取出燒杯冷卻至60℃左右，向陳化后的體系中緩慢加入濃硫酸，待體系中液體的顏色變?yōu)闇\綠色、沉淀物完全為白色時，停止加入。靜置一段時間待白色物聚在一起沉淀在燒杯底部，上部為澄清液體時，進行抽濾。抽濾過程中不斷加入蒸餾水反復(fù)漂洗濾餅至pH值等于6后，將濾餅烘干、研磨即得到最終產(chǎn)品水合二氧化硅SiO2·mH2O。
權(quán)利要求
1.一種水合二氧化硅的制備方法，其特征在于以冶金水淬渣為原料，將原料用硫酸酸解，并分離得到水合硅酸混合溶液，該混合溶液經(jīng)調(diào)整pH值、除雜、陳化后，混合溶液內(nèi)水合硅酸進行縮聚反應(yīng)，再經(jīng)分離、洗滌、烘干制得水合二氧化硅。
2.如權(quán)利要求1所述的一種水合二氧化硅的制備方法，其特征在于該方法由下列步驟組成(1)定量稱取冶金水淬渣放入耐酸的反應(yīng)釜或反應(yīng)容器中；(2)配制適宜濃度w＝5％～25％的硫酸，并依據(jù)冶金水淬渣的化學(xué)組成，按硫酸與冶金水淬渣反應(yīng)所需的化學(xué)計量關(guān)系過量1.2～2倍量取硫酸溶液；(3)將硫酸溶液在室溫下緩緩倒入反應(yīng)釜中并不斷攪拌，控制反應(yīng)溫度在70℃左右，反應(yīng)持續(xù)30～40分鐘后靜置約20分鐘，若體系再無氣泡產(chǎn)生且測pH值在1以下穩(wěn)定不變，則認(rèn)為酸解反應(yīng)結(jié)束，否則適當(dāng)延長反應(yīng)時間至反應(yīng)結(jié)束，但總反應(yīng)時間應(yīng)控制在1小時之內(nèi)；(4)將酸解反應(yīng)產(chǎn)物過濾去除沉淀物，提取上清液，用NaOH或氨水調(diào)整pH值在3-7之間，使溶液中雜質(zhì)離子生成不溶物沉淀，然后分離出上清液置于容器中陳化約2～5小時，陳化溫度70-95℃，加入濃硫酸攪拌溶解雜質(zhì)，后加水稀釋并攪拌，水加入量以滿足體系逐步出現(xiàn)固、液分相為度，經(jīng)分離后所得的固相產(chǎn)物經(jīng)洗滌到pH值等于6后烘干，得到終極產(chǎn)物水合二氧化硅；如預(yù)定將酸解濾液的pH值調(diào)整在3以下的確定值，則該步驟按如下進行將酸解后的反應(yīng)產(chǎn)物過濾去除沉淀物，提取上清液用NaOH或氨水調(diào)整pH值到3以下的某確定值，后置于容器中陳化約2～5小時，陳化溫度70-95℃，加適量水并攪拌充分，冷卻、靜置，經(jīng)分離后的固相產(chǎn)物經(jīng)洗滌到pH＝6后烘干，得到終極產(chǎn)物水合二氧化硅。
3.如權(quán)利要求1所述的一種水合二氧化硅的制備方法，其特征在于冶金水淬渣是煉鐵水淬渣或煉銅水淬渣。
全文摘要
本發(fā)明提供一種水合二氧化硅的制備方法，該方法是以煉鐵水淬渣或煉銅水淬渣為原料，經(jīng)硫酸酸解后分離得到水合硅酸混合溶液，該混合溶液經(jīng)調(diào)整pH值、除雜、陳化后，混合溶液內(nèi)水合硅酸進行縮聚反應(yīng)，后經(jīng)分離、洗滌、烘干制得水合二氧化硅。本方法的優(yōu)點在于用煉鐵水淬渣或煉銅水淬渣為原料制備水合二氧化硅，不僅成本低，效益明顯，而且實現(xiàn)了固體排放物的高附加值利用，同時帶來良好的環(huán)境與生態(tài)效益。
文檔編號C01B33/12GK1648042SQ200510037629
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者李遼沙, 董元篪, 金霞, 何玉平, 李亞中 申請人:安徽工業(yè)大學(xué)