一種一步法制備白炭黑的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種一步法制備白炭黑的方法，將水玻璃溶液通入二氧化碳氛圍的噴霧干燥反應塔中進行原位反應制備白炭黑的方法。本發(fā)明所涉及如下步驟：將一定模數(shù)，含有一定濃度季銨鹽的水玻璃溶液，在一定溫度和攪拌下攪拌均勻，通入噴霧干燥塔中與二氧化碳原位反應，噴霧干燥得到白炭黑成品。本發(fā)明所涉及的方法設備要求簡單，大大減少了白炭黑后續(xù)處理，節(jié)約資源。原料簡單易得，成本低廉，減少水資源浪費和酸的使用，反應快速高效，環(huán)境友好，生成白炭黑產(chǎn)品尺寸小、分布均勻，符合橡膠用白炭黑各項性能指標，具有較好的經(jīng)濟效益。
【專利說明】一種一步法制備白炭黑的方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種一步法制備白炭黑的方法。本發(fā)明采用二氧化碳與水玻璃溶液在噴霧干燥機的反應塔中進行原位反應的方法制備白炭黑，噴霧干燥直接獲得白炭黑成品，本發(fā)明方法反應迅速，效率高且滿足節(jié)能環(huán)保需求。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，國內(nèi)外白炭黑行業(yè)中，已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化的制備白炭黑工藝主要有氣相法和沉淀法。氣相法一般使用四氯化硅或三氯化硅為原料制備，但原料的價格昂貴，因此成本較高。而沉淀法白炭黑因為生產(chǎn)工藝簡單、成本低、產(chǎn)量大而被廣泛使用。
[0003]如今，白炭黑的制備工藝發(fā)展趨勢均是朝著高分散、納米化方向發(fā)展。國內(nèi)外的技術(shù)差距很大，目前國外成熟的白炭黑品種已達60多種，但國內(nèi)品種卻很少。
[0004]通常國內(nèi)高品質(zhì)白炭黑的生產(chǎn)方法主要是使用氣相法，但由于工藝復雜，設備投資大，原料不易得，成本高等缺點，限制了高品質(zhì)的白炭黑大規(guī)模工業(yè)化。而通常的酸沉淀法雖然成本低廉，但是白炭黑品質(zhì)大多達不到市場的需求。
[0005]沉淀法白炭黑是指以硫酸、鹽酸、二氧化碳與水玻璃溶液為基本原料。傳統(tǒng)白炭黑工業(yè)上使用的沉淀法主要使用的硫酸和水玻璃溶液為原料生產(chǎn)白炭黑。但由于硫酸存在著對設備的腐蝕嚴重，對環(huán)境污染等缺點。采用碳酸法制備白炭黑，主要由二氧化碳和水玻璃溶液反應制備白炭黑，這種方法避免了工藝過程中過量強酸及鹽的直接排放，可經(jīng)濟回收利用，減少污染。
[0006]專利200910175259和專利201110026112專利都介紹了在水相中二氧化碳與硅酸
鈉反應制備白炭黑的方法，雖然在廢物回收利用、經(jīng)濟環(huán)保方面有了一定效果，但是其存在著反應周期長、終點難以控制等不足。
[0007]碳酸法制備白炭黑過程中，反應完成后還需要對反應液進行洗滌、壓濾、打漿和干燥等工藝。這種的處理工藝過程中，往往會造成大量水的浪費，因此，生產(chǎn)白炭黑過程中，控制水的用量尤為重要。
[0008]專利200510028053.5介紹了一種使用噴霧干燥白炭黑的工藝，但這種工藝使用的原料中包含了對設備腐蝕嚴重的硫酸，對環(huán)境有較大的污染。專利200910227646.2介紹了一種利用四氯化硅制備白炭黑的方法，使用了噴霧干燥獲得白炭黑產(chǎn)品，但是這種工藝使用的原料較為昂貴，限制了工業(yè)化推廣。
[0009]通常來說，白炭黑的干燥過程中往往會出現(xiàn)白炭黑成品中含凝膠等情況，使得白炭黑的品質(zhì)下降，以及分散不良等問題，從而影響了白炭黑的品質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明涉及一種一步法制備白炭黑的方法，在噴霧干燥塔中，通入水玻璃溶液與二氧化碳反應制備白炭黑，噴霧干燥得到白炭黑成品。這樣的方法從根本上解決了困擾白炭黑的行業(yè)難題一白炭黑含凝膠、分散不均等問題。采用二氧化碳與水玻璃溶液通過噴霧干燥直接原位生成白炭黑的工藝，其中水蒸氣與二氧化碳均能實現(xiàn)循環(huán)使用，避免了資源浪費，酸污染等問題，而且本發(fā)明的方法反應速度要遠快于傳統(tǒng)沉淀法制備白炭黑的工藝。
[0011]一種一步法制備白炭黑的方法，其特征在于:將模數(shù)為2.4~3.8，質(zhì)量濃度為5%~25%的水玻璃溶液，加入水玻璃溶液質(zhì)量的0.01%~0.1 %的季銨鹽，在攪拌速度為50m/min~300m/min和溫度為40~90°C條件下，攪拌均勻后通入進氣溫度為200~700°C，出口溫度為70~140°C的噴霧干燥塔中與含有10~100%二氧化碳的氣體原位反應，噴霧干燥得到白炭黑成品。
[0012]作為優(yōu)選:所使用的季銨鹽為主鏈含碳數(shù)為12至18的季銨鹽，其與水玻璃溶液質(zhì)量比為0.01%~0.1%ο
[0013]含有10~100%二氧化碳的氣體，其中其他氣體為空氣或氮氣，過熱蒸汽等。
[0014]使用原位法制備白炭黑，其機理在于:先將季銨鹽充分溶解分散在水玻璃溶液中，在一定溫度的噴霧干燥塔中，將含有季銨鹽的水玻璃溶液在霧化盤高速離心作用下霧化成大量的細小霧滴，粒徑為5~100微米，水玻璃溶液在季銨鹽的作用下，使得硅酸鈉均勻分布在霧滴中，在濃密的二氧化碳氛圍中，二氧化碳與硅酸鈉的接觸面積極大，容易使二氧化碳與硅酸鈉發(fā)生反應，生成白炭黑，最后干燥獲得白炭黑成品，這種原位反應制備白炭黑的方法遠遠快于傳統(tǒng)的酸法制備白炭黑，其反應快速高效，節(jié)能環(huán)保，控制好季銨鹽與白炭黑的用量比，能夠獲得不同性能的白炭黑。
[0015]有益效果
[0016]本發(fā)明所涉及的方法制備白炭黑其優(yōu)點在于:
[0017](I)設備要求簡單，工藝特點適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0018](2)原料簡單易得，成本低廉。
[0019](3)生成產(chǎn)物尺寸小、分布均勻，符合橡膠用白炭黑各項性能指標。
[0020](4)反應速度極短，大大提高了效率。
[0021](5)節(jié)約水資源，充分利用二氧化碳廢氣，循環(huán)使用水資源和二氧化碳，具有較好的經(jīng)濟效益。
[0022](6)從而根本上解決困擾白炭黑行業(yè)難題一白炭黑含凝膠、分散不均等問題。
[0023](7)節(jié)省了陳化，過濾，洗滌，烘干等白炭黑制備工藝，減少了人力物力，降低了成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為該法制得的白炭黑高倍數(shù)SEM電鏡圖。
[0025](a) 15k倍數(shù)電鏡圖(b) 150k倍數(shù)電鏡圖
[0026]圖2為中國黑貓牌白炭黑高倍數(shù)SEM電鏡圖。
[0027](a) 30k倍數(shù)電鏡圖(b) 80k倍數(shù)電鏡圖
[0028]圖3為德固賽VN3型白炭黑高倍數(shù)SEM電鏡圖。
[0029](a) IOOk倍數(shù)電鏡圖(b) 200k倍數(shù)電鏡圖
[0030]圖4為法國羅地亞1165型高分散性白炭黑高倍數(shù)SEM電鏡圖。
[0031](a) IOOk倍數(shù)電 鏡圖(b) 180k倍數(shù)電鏡圖【具體實施方式】
[0032]實施例1:
[0033]將模數(shù)為2.8的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為10%的水玻璃溶液，加Λ 0.3g十二烷基三甲基溴化銨，在70°C加熱下攪拌20min，攪拌速率為100m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有50%二氧化碳的氣體(其他50%成分為空氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度200°C，出口溫度70°C，霧化粒徑為5微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0034]實施例2:
[0035]將模數(shù)為3.4的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為15%的水玻璃溶液，加入0.5g十四烷基三甲基溴化銨，在45°C加熱下攪拌
[0036]20min,攪拌速率為150m/min,充分攪拌通入噴霧干燥塔中與含有20%二氧化碳的氣體(其他80成分為過熱蒸汽)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度300°C，出口溫度900C，霧化粒徑為10微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0037]實施例3:
[0038]將模數(shù)為2.6的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為11 %的水玻璃溶液，加Λ 0.3g十六烷基三甲基溴化銨，在75°C加熱下攪拌30min，攪拌速率為180m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有40%二氧化碳的氣體(其他60%成分為氮氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度400°C，出口溫度100°C，霧化粒徑為30微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能 檢測。
[0039]實施例4:
[0040]將模數(shù)為3.2的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為8%的水玻璃溶液，加Λ 0.4g十八烷基三甲基溴化銨，在80°C加熱下攪拌20min，攪拌速率為200m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有70%二氧化碳的氣體(其他30%成分為空氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度700°C，出口溫度130°C，霧化粒徑為50微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0041]實施例5:
[0042]將模數(shù)為2.4的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為5%的水玻璃溶液，加Λ 0.1g十二烷基三甲基氯化銨，在40°C加熱下攪拌30min，攪拌速率為150m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有80%二氧化碳的氣體(其他20%成分為空氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度500°C，出口溫度110°C，霧化粒徑為25微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0043]實施例6:
[0044]將模數(shù)為2.7的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為6%的水玻璃溶液，加Λ 0.4g十六烷基三甲基氯化銨，在55°C加熱下攪拌20min，攪拌速率為100m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有90%二氧化碳的氣體(其他成分為氮氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度400°C，出口溫度120°C，霧化粒徑為45微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0045]實施例7:
[0046]將模數(shù)為3.1的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為13%的水玻璃溶液，加Λ 0.5g十四烷基三甲基氯化銨，在75 °C加熱下攪拌25min，攪拌速率為300m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有75%二氧化碳的氣體(其他25%成分為過熱蒸汽)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度250°C，出口溫度80°C，霧化粒徑為65微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0047]實施例8:
[0048] 將模數(shù)為3.0的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為20%的水玻璃溶液，加Λ 0.6g十八烷基三甲基氯化銨，在70°C加熱下攪拌30min，攪拌速率為250m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有85%二氧化碳的氣體(其他25%成分為氮氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度600°C，出口溫度105°C，霧化粒徑為75微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0049]實施例9:
[0050]將模數(shù)為3.8的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為9%，的水玻璃溶液，加入0.2g十二烷基四甲基氯化銨，在90°C加熱下攪拌20min，攪拌速率為250m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有10%二氧化碳的氣體(其他90%為空氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度350°C，出口溫度140°C，霧化粒徑為100微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0051]實施例10:
[0052]將模數(shù)為2.9的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為7%的水玻璃溶液，加入0.2g十八烷基四甲基氯化銨，在70°C加熱下攪拌20min，攪拌速率為50m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有60%二氧化碳的氣體(其他40%成分為氮氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度550°C，出口溫度125°C，霧化粒徑為85微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0053]實施例11:
[0054]將模數(shù)為2.7的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為25%的水玻璃溶液，加入Ig十四烷基四甲基氯化銨，在50°C加熱下攪拌20min,攪拌速率為50m/min,充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有30%二氧化碳的氣體(其他70%成分為空氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度650°C，出口溫度135°C，霧化粒徑為35微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0055]實施例12:
[0056]將模數(shù)為2.9的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為18%的水玻璃溶液，加入0.7g十六烷基四甲基氯化銨，在80°C加熱下攪拌30min，攪拌速率為50m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有25%二氧化碳的氣體(其他75%成分為過熱蒸汽)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度450°C，出口溫度115°C，霧化粒徑為48微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0057]實施例13:
[0058]將模數(shù)為2.9的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為23%的水玻璃溶液，加入0.2g十四烷基四甲基溴化銨,在55°C加熱下攪拌20min,攪拌速率為50m/min,充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有90%二氧化碳的氣體(其他10%成分為空氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度220°C，出口溫度95°C，霧化粒徑為20微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0059]實施例14:
[0060]將模數(shù)為2.9的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為14%的水玻璃溶液，加入0.2g十二烷基四甲基溴化銨，在66°C加熱下攪拌25min,攪拌速率為50m/min,充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有35%二氧化碳的氣體(其他65%成分為氮氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度300°C，出口溫度85°C，霧化粒徑為5微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0061]實施例15:
[0062]將模數(shù)為2.9的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為21 %的水玻璃溶液，加入0.2g十六烷基四甲基溴化銨，在78°C加熱下攪拌20min,攪拌速率為50m/min,充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有65%二氧化碳的氣體(其他35%成分為空氣)發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度325°C，出口溫度105°C，霧化粒徑為90微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0063]實施例16:
[0064]將模數(shù)為2.9的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為16 %的水玻璃溶液，加入0.2g十八烷基四甲基溴化銨，在82°C加熱下攪拌20min，攪拌速率為50m/min，充分攪拌后通入噴霧干燥塔中與含有100%二氧化碳的氣體發(fā)生原位反應，噴霧干燥機進口溫度250°C，出口溫度70°C，霧化粒徑為15微米，噴霧干燥后得到白炭黑成品，進行性能檢測。
[0065]對比例1:
[0066]將模數(shù)為3.1的水玻璃溶液，加水配制成1000g質(zhì)量分數(shù)為10%的水玻璃溶液，加入0.2g十六烷基三甲基溴化銨，在70°C加熱下攪拌20min，攪拌速率為50m/min，充分攪拌后加入硫酸制備白炭黑，過濾，洗滌，噴霧干燥得到白炭黑成品，進口溫度250°C，出口溫度700C，霧化粒徑為15微米，對白炭黑進行性能檢測。
[0067]表1、實施例中白炭黑性能檢測結(jié)果
[0068]
【權(quán)利要求】
1.一種一步法制備白炭黑的方法，其特征在于:將模數(shù)為2.4~3.8，質(zhì)量濃度為5%~25%的水玻璃溶液，加入水玻璃溶液質(zhì)量的0.01%~0.1 %的季銨鹽，在攪拌速度為50m/min~300m/min和溫度為40~90°C條件下，攪拌均勻后通入進氣溫度為200~700°C，出口溫度為70~140°C的噴霧干燥塔中與含有10~100%二氧化碳的氣體原位反應，噴霧干燥得到白炭黑成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一步法制備白炭黑的方法，其特征在于:所使用季銨鹽為主鏈含碳數(shù)為12至18的季銨鹽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一步法制備白炭黑的方法，其特征在于:噴霧干燥的霧化粒徑為5~100微米。
【文檔編號】C01B33/12GK103936016SQ201410176197
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】王益慶, 沈家鋒, 鄧斯奇, 張立群 申請人:北京化工大學