專利名稱：二次碳分制備白炭黑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種白炭黑的制備方法，特別是利用二氧化碳碳分的白炭黑制備方法。本發(fā)明可以使用雜質(zhì)含量較高的硅酸鈉溶液制備白炭黑。
背景技術(shù)：
白炭黑就是純凈超細(xì)二氧化硅，耐酸、耐高溫，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種重要的無機(jī)化工原料，多用作補(bǔ)強(qiáng)填料。由于白炭黑顆粒尺度小，比表面積大，表面硅醇基和活性硅烷鍵能形成強(qiáng)弱不等的氫鍵結(jié)合，因而具有良好的電氣絕緣性、吸濕性、消光性和分散性等特殊性能，在橡膠、涂料、塑料、造紙、油墨、日用化學(xué)品等各種領(lǐng)域中有著廣泛的用途。
工業(yè)化生產(chǎn)白炭黑的方法有沉淀法、氣相法、水熱合成法和凝膠法，其中沉淀法是目前生產(chǎn)白炭黑的主要工業(yè)化方法。沉淀法中又因中和硅酸鈉溶液所使用的介質(zhì)不同而分為硫酸法、鹽酸法、硝酸法和二氧化碳碳分法等。
使用強(qiáng)酸中和硅酸鈉溶液制備沉淀白炭黑，要求使用純度較高的硅酸鈉溶液，否則，必須使用過量的強(qiáng)酸，工藝過程會(huì)產(chǎn)生大量的酸性含鹽廢水，由于無法經(jīng)濟(jì)回收，直接排放必然對(duì)環(huán)境造成極大的污染。因此尋求無污染工藝以替代目前普遍采用的強(qiáng)酸中和法就顯得非常重要。
二氧化碳碳分法是以硅酸鈉水溶液和二氧化碳為原料先進(jìn)行碳分反應(yīng)，再經(jīng)過酸化、陳化、過濾、洗滌、干燥、粉碎等步驟得到白炭黑。這種方法雖然工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，但生產(chǎn)出的白炭黑一般顆粒較大，析出的SiO2細(xì)小晶粒很容易發(fā)生聚晶長(zhǎng)大，導(dǎo)致粒度分布不均勻，純度不高，進(jìn)而影響產(chǎn)品的使用性能。特別是該方法的氣液反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化率低?！稛o機(jī)鹽化工》1998年第2期“碳化法生產(chǎn)白碳黑的工程分析”一文報(bào)導(dǎo)了在帶有攪拌的釜式反應(yīng)器中進(jìn)行碳分反應(yīng)，攪拌速度200轉(zhuǎn)/分，反應(yīng)需要6小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后溶液的pH值為9～10，轉(zhuǎn)化率很低，只有71.5％，若使轉(zhuǎn)化率提高到95％，則反應(yīng)時(shí)間需延長(zhǎng)到95.6小時(shí)。
001322753號(hào)專利提供了一種碳化反應(yīng)制備二氧化硅粉體的方法，該方法是采用超重力反應(yīng)器作為碳化反應(yīng)器，反應(yīng)液經(jīng)液體進(jìn)口管進(jìn)入超重力反應(yīng)器的旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)腔，經(jīng)噴頭淋灑在填充床內(nèi)緣上，反應(yīng)氣體經(jīng)氣體進(jìn)口管切向進(jìn)入填充床外緣，由填充床外緣進(jìn)入填料床，在碳化反應(yīng)過程中，反應(yīng)液由液體出口再返回液體入口進(jìn)入旋轉(zhuǎn)填充床，形成不間斷循環(huán)反應(yīng)。該方法可以將碳化反應(yīng)時(shí)間縮短到1小時(shí)以內(nèi)，提高生產(chǎn)效率。
然而，上述各種方法都要求使用純度較高的硅酸鈉溶液，以上實(shí)驗(yàn)均是基于工業(yè)級(jí)硅酸鈉原料得到的，當(dāng)使用雜質(zhì)含量較高的硅酸鈉時(shí)，原有的碳分法根本無法生產(chǎn)出合格的白炭黑產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種二次碳分制備白炭黑的方法，該方法可以使用雜質(zhì)含量較高的硅酸鈉溶液生產(chǎn)出合格的白炭黑產(chǎn)品。
本發(fā)明的二次碳分制備白炭黑的方法是向硅酸鈉溶液中通入CO2氣體，升溫?cái)嚢璺磻?yīng)至溶液的pH值降至9～10.5，停止碳分，固液分離，溶液中繼續(xù)通入CO2氣體進(jìn)行第二次碳分反應(yīng)，至溶液pH值降至7～8，停止反應(yīng)，固液分離，固體經(jīng)洗滌、烘干得到白炭黑，第一次碳分分離出的固體沉淀物用強(qiáng)酸浸泡或熱煮，洗滌除去雜質(zhì)后，烘干得到白炭黑。
本發(fā)明二次碳分制備白炭黑的具體步驟是1.向濃度為8～15％的硅酸鈉溶液中通入CO2氣體，在40～85℃溫度下攪拌反應(yīng)，至溶液pH值降至9～10.5，停止碳分，固液分離。
2.溶液中繼續(xù)通入CO2氣體，在40～85℃溫度下攪拌反應(yīng)，進(jìn)行第二次碳分，至溶液pH值降至7～8，停止反應(yīng)，再次固液分離。
3.分離出的固體沉淀物經(jīng)洗滌、烘干后，得到白炭黑產(chǎn)品。
4.在第一次碳分分離出的固體沉淀物中加入強(qiáng)酸，浸泡或熱煮后，洗滌除去雜質(zhì)，烘干得到白炭黑產(chǎn)品。
本發(fā)明使用的硅酸鈉溶液可以是工業(yè)級(jí)的硅酸鈉溶液，也可以是雜質(zhì)含量較高的非純凈硅酸鈉溶液，所謂非純凈硅酸鈉溶液，是指用強(qiáng)堿液浸取高硅固體廢料后得到的雜質(zhì)含量較高的硅酸鈉溶液，這些高硅固體廢料包括生產(chǎn)硫酸鋁、氯化鋁后的棄渣，煤矸石，粉煤灰，高嶺土、蛋白石及黑色和有色金屬冶煉后產(chǎn)生的高硅廢渣等。
無論是市售的工業(yè)級(jí)硅酸鈉，還是雜質(zhì)含量較高的硅酸鈉溶液，均需將其稀釋或濃縮至硅酸鈉含量為8～15％的范圍。第一次碳分可以使硅酸鈉溶液中的絕大部分雜質(zhì)析出并析出一部分白炭黑(析出物質(zhì)量約為溶液析出物總量的1～15％)，固液分離后，分離的溶液經(jīng)第二次碳分可以制備出純度高、細(xì)度好的高品質(zhì)白炭黑。第一次碳分析出的固體物經(jīng)強(qiáng)酸(HCl，H2SO4，HNO3)浸泡或熱煮去除雜質(zhì)后，同樣可以制取出高品質(zhì)的白炭黑。
本發(fā)明的碳分反應(yīng)可在常壓或維持反應(yīng)器適當(dāng)正壓條件下向硅酸鈉溶液中通入CO2氣體進(jìn)行，碳分時(shí)使用的CO2氣體應(yīng)保證CO2濃度≥30％，且不含有可生成酸的氣體(如SO2、Cl2等)，也不含有粉塵。
本發(fā)明經(jīng)二次碳分后剩余的碳酸鈉溶液可以采用苛化濃縮的方法制取堿液，用于處理高硅固體廢料制備硅酸鈉溶液，循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)無廢液排放，對(duì)環(huán)境無污染的目標(biāo)。
本發(fā)明的二次碳分制備白炭黑方法既能消除強(qiáng)酸中和硅酸鈉產(chǎn)生大量含鹽廢水，造成環(huán)境污染的問題，又能充分利用高硅固體廢料制備的雜質(zhì)含量較高的硅酸鈉溶液生產(chǎn)高品質(zhì)的白炭黑，整個(gè)生產(chǎn)過程無廢液排放，是一種環(huán)境友好的制備方法。
本發(fā)明的白炭黑制備方法工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，生產(chǎn)得到的白炭黑產(chǎn)品純度高、粒度細(xì)、白度好。
本發(fā)明中，除非另有說明，所有以百分?jǐn)?shù)提供的成分含量均是指質(zhì)量百分比含量。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將含有5.87g/L Fe2O3、0.57g/L Al2O3、9.79g/L TiO2的21％Na2SiO3溶液稀釋為10％的Na2SiO3溶液，置于碳分釜中，升溫至75℃，通入CO2氣體，施以攪拌，使Na2SiO3溶液的pH值從＞14降至10.5時(shí)，停止通氣，將溶液中的析出物過濾分離，余液再置于碳分釜中，升溫至75℃，通入CO2氣體繼續(xù)碳分，至溶液的pH值降至8時(shí)，停止通氣，再過濾分離，獲得的固體分離物經(jīng)洗滌、烘干后得到SiO2含量98.5％，平均粒度為10μm的高品質(zhì)白炭黑。
在第一次碳分出的析出物中加入20％HCl溶液，在80℃下熱煮2小時(shí)后，洗滌、烘干，可獲得SiO2含量99.6％，平均粒度10μm的高品質(zhì)白炭黑。
二次碳分后剩余的Na2CO3稀溶液中兌以適量的石灰乳液，在80℃下苛化獲得NaOH稀液，再經(jīng)蒸發(fā)濃縮制成NaOH濃度＞50％的濃堿液，可循環(huán)用于浸取高硅廢渣以制備硅酸鈉溶液。
實(shí)施例2將普通工業(yè)級(jí)硅酸鈉稀釋至15％的Na2SiO3溶液，置于碳分釜中，升溫至60℃，通入CO2氣體并施以攪拌，待溶液的pH值降至9.5時(shí)，停止通氣，過濾分離出析出物，余液再返回碳分釜中進(jìn)行第二次碳分，至溶液的pH值降至7.5時(shí)，停止通氣，再過濾分離，析出物經(jīng)洗滌、烘干后得到SiO2含量99.5％，平均粒度10μm的高品質(zhì)白炭黑。
第一次碳分出的析出物用40％的H2SO4溶液于100℃下熱煮2小時(shí)，將不溶物用水洗至中性，烘干后，即可獲得SiO2含量99％的高品質(zhì)白炭黑。
碳分余液經(jīng)苛化蒸發(fā)濃縮后，制成NaOH濃堿液回收。
權(quán)利要求
1.一種二次碳分制備白炭黑的方法，是向8～15％的硅酸鈉溶液中通入CO2氣體，于40～85℃攪拌反應(yīng)至溶液pH值降至9～10.5，固液分離，溶液中繼續(xù)通入CO2氣體，于40～85℃攪拌反應(yīng)至溶液pH值降至7～8，固液分離，固體洗滌、烘干得到白炭黑，第一次碳分分離出的固體用強(qiáng)酸浸泡或熱煮，洗滌除去雜質(zhì)后，烘干得到白炭黑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二次碳分制備白炭黑的方法，其特征是所述的硅酸鈉溶液是工業(yè)級(jí)硅酸鈉溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二次碳分制備白炭黑的方法，其特征是所述的硅酸鈉溶液是用強(qiáng)堿液浸取高硅固體廢料后得到的硅酸鈉溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二次碳分制備白炭黑的方法，其特征是所述的高硅固體廢料是生產(chǎn)硫酸鋁、氯化鋁后的棄渣，煤矸石，粉煤灰，高嶺土、蛋白石及黑色和有色金屬冶煉后產(chǎn)生的高硅廢渣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二次碳分制備白炭黑的方法，其特征是CO2氣體濃度≥30％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二次碳分制備白炭黑的方法，其特征是二次碳分剩余的碳酸鈉溶液經(jīng)苛化濃縮后制成氫氧化鈉溶液。
全文摘要
一種二次碳分制備白炭黑的方法，是向硅酸鈉溶液中通入CO
文檔編號(hào)C01B33/00GK101077777SQ20071006219
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者秦晉國(guó), 王佳東, 王海 申請(qǐng)人:平朔煤炭工業(yè)公司