本發(fā)明屬于納米材料和環(huán)境友好材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用低品位硅藻土制備納米沉淀二氧化硅的方法。
背景技術(shù)：
沉淀二氧化硅俗稱白炭黑，是以極其微細(xì)的無(wú)定形二氧化硅顆粒為主要成分的化工原料，在塑料、橡膠、牙膏、醫(yī)藥、涂料等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。無(wú)定形二氧化硅有兩種制備方法，一是氣相法，就是將硅原料(sicl4)氣化后與氧和氫高溫反應(yīng)得到，具有純度高、分散性好、應(yīng)用性能好等特點(diǎn)，在醫(yī)用材料、牙膏、化妝品等領(lǐng)域廣泛使用。其不足之處在于生產(chǎn)成本高。二是化學(xué)沉淀法，就是使用硅酸鈉溶液、硅酸鉀溶液與酸在一定的工藝條件下反應(yīng)制得?；瘜W(xué)沉淀法制得的白炭黑在涂料、橡膠、塑料、電線電纜等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。
隨著我國(guó)人民生活水平的逐漸提高和工業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)白炭黑的質(zhì)量和應(yīng)用性能提出了越來(lái)越高的要求。如近年來(lái)美國(guó)對(duì)我國(guó)的輪胎實(shí)行限制使用的政策，其主要原因是橡膠輪胎使用的主要是炭黑，雖然強(qiáng)度能夠滿足應(yīng)用性能要求，節(jié)能降噪方面卻不如高檔白炭黑。目前，我國(guó)在高性能白炭黑制備方面還處于落后狀態(tài)，不能滿足國(guó)內(nèi)需求。
硅藻土是以二氧化硅為主要成分的、由硅藻死亡后殘骸形成的礦物。隨著雜質(zhì)含量的不同，硅藻土的應(yīng)用性能相差很大。一般的硅藻土助濾劑、催化劑載體、吸附劑等都使用一級(jí)土，大量的二、三級(jí)硅藻土被堆放在礦區(qū)周圍，占用土地并形成了粉塵污染。對(duì)二、三級(jí)硅藻土的高附加值利用具有十分重要的意義。
傳統(tǒng)的沉淀二氧化硅制備是以硅石為資源，將硅石破碎后與碳酸鈉或者硫酸鈉混合后高溫煅燒，然后水淬形成泡花堿，再溶解于水后與酸反應(yīng)獲得。制備泡花堿過(guò)程的生產(chǎn)成本高、能耗高，且會(huì)產(chǎn)生大量的鈉蒸氣等污染。國(guó)內(nèi)不少地區(qū)已經(jīng)在限制泡花堿的生產(chǎn)。而硅藻土與氫氧化鈉可以在水溶液中反應(yīng)獲得硅酸鈉溶液，不存在污染的問(wèn)題。利用二、三級(jí)硅藻土獲得高性能沉淀二氧化硅，既可以減少低品位硅藻土排放帶來(lái)的污染和占用土地的問(wèn)題，也可以減少硅石制備泡花堿過(guò)程中的高能耗與環(huán)境污染問(wèn)題。因此，利用低品位硅藻土制備納米沉淀二氧化硅具有重要的實(shí)用意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有的沉淀法制備二氧化硅過(guò)程中存在成本高、能耗高等問(wèn)題，以及解決低品位硅藻土占用土地和對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，本發(fā)明提供一種利用低品位硅藻土制備納米沉淀二氧化硅的方法。所述方法以二、三級(jí)硅藻土為原料，經(jīng)過(guò)與氫氧化鈉溶液的堿溶反應(yīng)，過(guò)濾后獲得以硅酸鈉為主要成分的水溶液，調(diào)節(jié)濾液波美度，經(jīng)過(guò)活性炭吸附除雜后與酸反應(yīng)獲得納米沉淀二氧化硅產(chǎn)品。與現(xiàn)有方法相比，所述方法具有較低的能耗和生產(chǎn)成本，使低品位硅藻土得到有效利用，不產(chǎn)生新的污染，更加節(jié)能環(huán)保，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種利用低品位硅藻土制備納米沉淀二氧化硅的方法，所述方法以二、三級(jí)硅藻土為原料，經(jīng)過(guò)與氫氧化鈉溶液的堿溶反應(yīng)，過(guò)濾后獲得以硅酸鈉為主要成分的水溶液，調(diào)節(jié)濾液波美度，經(jīng)過(guò)活性炭吸附除雜后與酸反應(yīng)獲得納米沉淀二氧化硅產(chǎn)品。
所述方法對(duì)原材料選用具有以下要求：
1)硅藻土，選用二、三級(jí)硅藻土，細(xì)度80～1250目，二氧化硅含量60％～86％；
2)氫氧化鈉，工業(yè)級(jí)，氫氧化鈉含量大于95％；
3)硫酸，工業(yè)級(jí)；
4)活性炭，工業(yè)級(jí)；
5)聚丙烯酸鈉，工業(yè)級(jí)；
6)硅烷偶聯(lián)劑，工業(yè)級(jí)。
所述方法包括以下步驟：
1)稱取硅藻土、氫氧化鈉和水，將其混合，在40～100℃下反應(yīng)1～3h，獲得以硅酸鈉為主要成分的漿料，其中，氫氧化鈉的質(zhì)量是硅藻土中二氧化硅質(zhì)量的20％～40％，水的質(zhì)量是硅藻土質(zhì)量的2-6倍；
2)將步驟1)制得的漿料過(guò)濾后取濾液，用往濾液中加水或者蒸發(fā)水分的方法調(diào)節(jié)濾液的波美度為15～30。將質(zhì)量等于濾液質(zhì)量2％～10％的活性炭加入濾液中，攪拌條件下吸附硅藻土帶來(lái)的有機(jī)雜質(zhì)10～300h，過(guò)濾后得到純凈的硅酸鈉溶液；
3)將步驟2)制得的硅酸鈉溶液置于攪拌系統(tǒng)中，加入質(zhì)量為溶液質(zhì)量1％～8％的原位表面改性劑，與質(zhì)量濃度15％～50％的硫酸反應(yīng)，至ph值為3.0～5.0時(shí)止，陳化0.5～1h，得到沉淀二氧化硅料漿；
4)將步驟3)制得的沉淀二氧化硅漿料利用過(guò)濾機(jī)過(guò)濾形成濾餅，將濾餅反復(fù)加水?dāng)嚢杈鶆蚝筮^(guò)濾，至濾液的ph值為6.5～7時(shí)止，使沉淀二氧化硅被洗滌干凈；
5)將濾餅在90℃～150℃下干燥至含水率<5％，打散后得到納米沉淀二氧化硅。
優(yōu)選的，所述原位表面改性劑為聚丙烯酸鈉或者硅烷偶聯(lián)劑。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：
1)以低品位硅藻土為原料，既解決了低品位硅藻土占用土地及對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，提升其應(yīng)用價(jià)值，減輕了環(huán)境壓力，又保證了原料的廉價(jià)和豐富供應(yīng)；
2)本發(fā)明所述方法解決了傳統(tǒng)沉淀法制備二氧化硅過(guò)程存在的高能耗與環(huán)境污染問(wèn)題；
3)采用活性炭的吸附原理除去硅酸鈉溶液的有機(jī)雜質(zhì)，比利用煅燒硅藻土去除有機(jī)質(zhì)的方法成本低廉，更加環(huán)保，因此更加適用于工業(yè)化生產(chǎn)；
4)本發(fā)明制備的納米沉淀二氧化硅符合國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
按以下要求選用原材料：
1)硅藻土，選用二級(jí)硅藻土，細(xì)度80目，二氧化硅含量60％；
2)氫氧化鈉，工業(yè)級(jí)，氫氧化鈉含量96％；
3)硫酸，工業(yè)級(jí)；
4)活性炭，工業(yè)級(jí)；
5)聚丙烯酸鈉，工業(yè)級(jí)；
按以下步驟執(zhí)行：
1)稱取硅藻土20g、氫氧化鈉3.2g，量取40ml水。先將水倒入三口燒瓶，在水浴鍋中加熱至40℃，然后加入硅藻土和氫氧化鈉，攪拌反應(yīng)1小時(shí)，形成以硅酸鈉為主要成分的料漿；
2)利用真空抽濾機(jī)將堿溶制得的料漿過(guò)濾，取濾液，往濾液中加水或蒸發(fā)水使濾液的波美度達(dá)到15，將5g活性炭加入濾液中攪拌10h，使其吸附有機(jī)雜質(zhì)，過(guò)濾后得到純凈的硅酸鈉溶液；
3)將硅酸鈉溶液置于三口燒瓶中，加入2.5g聚丙烯酸鈉作為原位表面改性劑，邊攪拌邊滴加質(zhì)量濃度為15％的硫酸，同時(shí)測(cè)試溶液的ph，當(dāng)ph值為3.0時(shí)停止滴加硫酸，系統(tǒng)陳化30min，得到沉淀二氧化硅料漿；
4)利用真空抽濾機(jī)將二氧化硅料漿過(guò)濾形成濾餅，將濾餅加水多次洗滌、過(guò)濾，至濾液ph值為6.5時(shí)止；
5)將濾餅在90℃干燥至含水率<5％，打散后得到納米沉淀二氧化硅。
實(shí)施例2
按以下要求選用原材料：
1)硅藻土，選用二級(jí)硅藻土，細(xì)度800目，二氧化硅含量70％；
2)氫氧化鈉，工業(yè)級(jí)，氫氧化鈉含量97％；
3)硫酸，工業(yè)級(jí)；
4)活性炭，工業(yè)級(jí)；
5)硅烷偶聯(lián)劑，工業(yè)級(jí)。
按以下步驟執(zhí)行：
1)稱取硅藻土20g、氫氧化鈉4.8g，量取80ml水。先將水倒入三口燒瓶，在水浴鍋中加熱至70℃，然后加入硅藻土和氫氧化鈉，攪拌反應(yīng)2小時(shí)，形成以硅酸鈉為主要成分的料漿；
2)利用真空抽濾機(jī)將堿溶制得的料漿過(guò)濾，取濾液，往濾液中加水或蒸發(fā)水使濾液的波美度達(dá)到23，將6g活性炭加入濾液中攪拌150h，使其吸附有機(jī)雜質(zhì)，過(guò)濾后得到純凈的硅酸鈉溶液；
3)將硅酸鈉溶液置于三口燒瓶中，加入5g硅烷偶聯(lián)劑作為原位表面改性劑，邊攪拌邊滴加質(zhì)量濃度為30％的硫酸，同時(shí)測(cè)試溶液的ph，當(dāng)ph值為4.0時(shí)停止滴加硫酸，系統(tǒng)陳化45min，得到沉淀二氧化硅料漿；
4)利用真空抽濾機(jī)將二氧化硅料漿過(guò)濾形成濾餅，將濾餅加水多次洗滌、過(guò)濾，至濾液ph值為6.8時(shí)止；
5)將濾餅在120℃干燥至含水率<5％，打散后得到納米沉淀二氧化硅。
實(shí)施例3
按以下要求選用原材料：
1)硅藻土，選用三級(jí)硅藻土，細(xì)度1250目，二氧化硅含量86％；
2)氫氧化鈉，工業(yè)級(jí)，氫氧化鈉含量98％；
3)硫酸，工業(yè)級(jí)；
4)活性炭，工業(yè)級(jí)；
5)聚丙烯酸鈉，工業(yè)級(jí)；
按以下步驟執(zhí)行：
1)稱取硅藻土20g、氫氧化鈉6.4g，量取120ml水。先將水倒入三口燒瓶，在水浴鍋中加熱至100℃，然后加入硅藻土和氫氧化鈉，攪拌反應(yīng)3小時(shí)，形成以硅酸鈉為主要成分的料漿；
2)利用真空抽濾機(jī)將堿溶制得的料漿過(guò)濾，取濾液，往濾液中加水或蒸發(fā)水使濾液的波美度達(dá)到30，將14g活性炭加入濾液中攪拌300h，使其吸附有機(jī)雜質(zhì)，過(guò)濾后得到純凈的硅酸鈉溶液；
3)將硅酸鈉溶液置于三口燒瓶中，加入10g聚丙烯酸鈉作為原位表面改性劑，邊攪拌邊滴加質(zhì)量濃度為50％的硫酸，同時(shí)測(cè)試溶液的ph，當(dāng)ph值為5.0時(shí)停止滴加硫酸，系統(tǒng)陳化1h，得到沉淀二氧化硅料漿；
4)利用真空抽濾機(jī)將二氧化硅料漿過(guò)濾形成濾餅，將濾餅加水多次洗滌、過(guò)濾，至濾液ph值為7時(shí)止；
5)將濾餅在150℃干燥至含水率<5％，打散后得到納米沉淀二氧化硅。
最后應(yīng)說(shuō)明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。