膨润土制备白炭黑的工艺研究.pdf

第5期
矿产综合利用
2015年10月
Multipurpose Utilization of Mineral Resources
Oct.2015
膨润土制备白炭黑的工艺研究
王雅静,魏蕾,李娟娟,史忠祥
(沈阳化工大学应用化学学院,辽宁沈阳110142)
摘要:黑山膨润土中二氧化硅含量可达71,39%,是制备白炭的理想原料。其中主要矿石成分是蒙脱
石,蒙脱石是由Si-O四面体和Al-0八面体交替堆积而成,其层间结构非常紧密,Si不易被碱溶出,所以使蒙
脱石的结构彻底瓦解是提高白炭黑回收率的关键。本文以黑山膨润土为原料,经硫酸活化,盐酸二次脱杂,碱
溶,加酸中和等过程,制得纳米级非晶态二氧化硅。试验着重考察了硫酸浓度及酸溶时间、NaF用量、碱用量
及碱溶时间对白炭黑回收率的影响,并利用X射线衍射仪,扫描电子显微镜等对产品的晶体结构及形貌进行
表征。最终确定了用膨润土制备白炭黑的较佳工艺条件。
关键词;白炭黑;非晶态二氧化硅;回收率
doi:10.3969/j.issn.1000-6532.05.012
中图分类号:TD985文献标志码:A文章编号:1000-6532(2015)05-0050-04
白炭黑即无定形二氧化硅,又称水合二氧化乙醇、氟化钠,均为分析纯,试验所用蒸馏水为二次
硅,化学式为SiO2nH20,它具有化学性质稳定リ,蒸馏水。
质轻,无毒,熔沸点高,不燃烧,绝缘性好,分散性好,1.2试验装置及仪器
来源广等优点2,因而被广泛用于制造玻璃制品,
AR2140电子分析天平、L600-台式低速离心
光学仪器,耐火材料,电子工业,以及塑料,造纸,涂机、SHB-Ⅱ循环水式多用真空泵、PHS-3EpH计、
料,油墨,尤其是橡胶行业的助剂?。我国膨润土DF-101s集热式恒温加热磁力搅拌器、DF-Ⅰ集热式
矿产资源丰富,矿石储量居世界之首的。本文以膨磁力加热搅拌器、101-2型电热鼓风干燥箱。
润土为原料,经碗酸活化,盐酸二次脱杂,烧碱溶解,1.3反应机理
加酸中和等工艺过程制备出表面光滑的纳米级非晶
(1)蒙脱石层间结构中的金属阳离子主要为铝
态二氧化硅。此法原料来源广泛,工艺条件简单,而离子,在合适浓度的硫酸溶液中,蒙脱石主要发生反
且生产的白炭黑回收率较高,为膨润土的开发利用应:A1,03-SiO2+3H2SO,→Al2(SO,)3+SiO2+3H10
提供了一条有效的途径。
蒙脱石中除了钙以外的其他金属氧化物溶于硫
试验部分
酸形成可溶性硫酸盐,由于硫酸钙是微溶物,待第二
步盐酸酸化时除去。
试验原料及试剂
2)硫酸活化过程中加入少量F,F与硫酸中
试验原料:黑山天然钠基膨润土,原矿化学组成的H形成HF,其中少量SO2溶于HF,加速蒙脱石
见表1。
表1原矿化学组成/%
结构瓦解,发生反应:SiO2+4HF=SiF4+2H20
Table 1 The chemical composition of the raw ore
(3)碱溶过程中,OH与SiO2反应生成可溶性
SiO2A203Fe203Mg0Ca0T02K2ONa2O灼烧
硅酸盐,反应式为:20H+SiO2=SiO32+H20
1.3914.41.711.521.20<0.10.441.985.2
(4)向水玻璃中加酸中和,可产生白色沉淀,反
试验药剂:硫酸、盐酸、氢氧化钠、硫酸钠、无水应式为:SiO32+H'=H1SiO
收稿日期:2015-04-20
基金项目:辽宁省教育厅项目(051339
作者简介:王雅静(1963-),女,博士,教授,主要从事材料物理化学方面的研究。
第5期
王雅静等:膨润土制备白炭黑的工艺研究
?51?
(5)将得到的硅酸干燥即得白炭黑:H2Si0O3=
Sio, +HO
1.4试验流程
将膨润土与一定浓度的硫酸混合,同时加入
NaF,油浴加热2h,固液分离后对固体进行洗涤至
中性。再加入一定浓度的盐酸,继续活化1.5h,抽
滤后将潓饼洗涤至中性。向固体中加入NaOH和一
定体积的水,碱溶1.5h。固液分离得到的液体即为
水玻璃。向水玻璃中加入电解质Nal和一定体积
酸浓度/%
的无水乙醇,加水至下层硅酸钠胶粒全部溶解。在
图2酸浓度试验结果
恒温水浴下用硫酸中和,一定温度下老化,固液分离
Fig. 2 Test results of acid concentration
后将固体放在100C千燥箱中干燥,得白炭黑。其
48.0
工艺流程见图
影润土?硫酸酸化抽滤洗涤?盐酸二次活化
47,5
47.0
干燥F?中和酸化
离
碱溶
抽滤洗涤
斜回
图1膨润土制备白炭黑的工艺流程
Fig. 1 The process of the preparation of white carbon
black from bentonite
db8めIdo120g4o16o
酸溶时间
2结果与讨论
图3酸溶时间试验结果
Test resules of acid time
2.1酸浓度及酸溶时间对白炭黑回收率的影响
膨润土中的主要成分为蒙脱石,其结构是,两片2.2NaF用量对白炭黑回收率的影响
Si_-O四面体中夹一片Al-0八面体形成一个基本重
经过研究发现,在酸溶过程中加入F,可使回
复单元,每两个重复单元中夹杂钙、镁、钠等可溶性收率大幅度提高。这是因为F与Si-0四面体中的
金属阳离子。酸活化的目的是破坏四面体与八面体硅形成可溶于水的SiF48,使Si-0四面体更容易被
的层间结构,使其中的碱金属碱土金属阳离子和铝破坏,同时也有助于酸进人Al-0层,使蒙脱石结构
离子溶解于酸,SiO2和一些不溶于酸的泥沙作为沉彻底瓦解。
淀析出门。
图2为酸浓度对白炭黑回收率的影响。由图2
可知,随着酸浓度的增大,SiO2的回收率逐渐升高,
但当酸的浓度超过45%时,SiO2回收率下降。这可
能是由于浓度较大的酸难以电离出H',而蒙脱石结
构破坏的程度取决于水溶液中H浓度大小,因此酸
浓度超过一定范围会导致白炭黑回收率下降。考虑
到白炭黑回收率的最大化,确定较佳酸浓度为
0.1
2
45%。
NaF用量/g
图3为酸溶时间对白炭黑回收率的影响。由图
图4NaF用量试验结果
3可知,在保证硫酸浓度为45%时,白炭黑回收率随
Fig4 Test results of NAF dosage
着酸溶时间的增加而升高,但当酸溶时间超过120
图4为NaF用量与回收率的关系。由图4可
min时,白炭黑回收率增加并不明显,确定酸溶时间知,随着NaF用量的增加,白炭罴回收率出现先增
为120min。