一種利用黑曜石生產白炭黑的方法
2023-05-31 15:31:36
一種利用黑曜石生產白炭黑的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用黑曜石製備白炭黑的方法，所述方法包括兩個步驟，其中第一步是以黑曜石為原料製備矽酸鈉；第二步是以所述矽酸鈉為原料製備白炭黑。本發明為白炭黑的製備提供了一種新工藝，豐富了其原料的選擇，也是對黑曜石的一種新應用。該方法投資少，工藝易掌握，經濟效益好。
【專利說明】一種利用黑曜石生產白炭黑的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種以黑曜石為原料製備白炭黑的方法，屬於無機非金屬材料領域。技術背景
[0002]白炭黑主要在合成橡膠工業中用作補強劑，也可用作稠化劑或增稠劑，也用於絕緣漆調和劑和油漆退光劑，其在攝影、鑄造、化工、農藥、造紙等領域有著廣泛的用途，而且用量很大。
[0003]白炭黑的生產方法很多，從生產工藝上可分為沉澱法白炭黑和氣相法白炭黑。隨著技術的發展和人民生活水平的提高，廢物資源化利用是目前研究的熱點問題，新的白炭黑生產法主要以非金屬礦及其延伸物為矽源，也因此誕生了許多以工業廢物為原料的白炭黑生產技術，如黃磷爐渣[蘇毅等，CN 101381082 A]，煤矸石[鞠馥陽等，CN 1174168A]，粉煤灰[葉亞平等，CN 1911800A]，稻殼[韋錫波等，CN 1003123B ;陳正行等，CN 101391778B]等等。
[0004]黑曜石，又稱黑曜巖，是火山噴出後那些含矽量較高的粘性熔巖在空氣中急速冷卻，不完全結晶形成的酸性熔巖。這種半結晶的巖石是全部由玻璃質組成的火山巖，呈黑色或灰褐色，有明顯的玻璃光澤與貝殼螺旋狀斷口，比燧石堅硬、鋒利，也稱為玉質玻璃。史前人類利用黑曜石硬度大的特點，用其製作石器和其它精美飾品。目前，由於黑耀巖的巖石性質與玄武巖、珍珠巖和沸石十分相似，所以同樣具有活性，因此它廣泛地用作水泥混合材料，以代替礦渣或爐渣作為建築材料。同時，利用其矽含量高的特點，利用黑曜石的特殊形態，在1200°C的高溫下， 體積可膨脹3倍以上，將其作為保溫材料和外牆裝飾材料。黑曜石的主要成分是矽、鋁和鐵的氧化物，三者含量之和在90%以上。不同地區的黑曜石礦物成分含量有差異，但其二氧化矽含量高，是製備白炭黑產品的良好原料，但到目前為止，以黑曜石為原料製備白炭黑的工藝研究還未見報導。
【發明內容】
[0005]本發明針對上述問題，提供了一種以黑曜石為原料生產白炭黑的方法。
[0006]本發明通過以下技術方案來實現:
一種利用黑曜石製備白炭黑的方法，所述方法包括兩個步驟，其中第一步是以黑曜石為原料製備矽酸鈉；第二步是以所述矽酸鈉為原料製備白炭黑。
[0007]作為可選方式，上述以黑曜石為原料製備矽酸鈉的具體步驟為:首先把黑曜石粉碎，再將粉碎的黑曜石和純鹼以一定比例混合均勻，再將混合物在800°C以上溫度下煅燒，生成熔融矽酸鈉，把熔融矽酸鈉經水溶，過濾除雜，得到矽酸鈉。採用該方法製備出的矽酸鈉性能優越，能夠滿足後續製備白炭黑的要求。
[0008]作為可選方式，在上述方法中，所述熔融矽酸鈉的水溶可以是趁熱向熔融矽酸鈉加水溶解，也可待熔融矽酸鈉冷卻後再加水溶解。其中趁熱加水溶解，能夠將玻璃萃碎，玻璃更易溶解。[0009]作為可選方式，在上述方法中，所述粉碎步驟為把黑曜石粉碎至100%通過120目標準分樣篩。通過對黑曜石進行充分粉碎有利於在製備過程中更好地除去其中的雜質，從而提聞最終製得的白炭黑的品質。
[0010]作為可選方式，在上述方法中，所述黑曜石與純鹼的質量比為1:1.2^1.5。採用該物料配比可以獲得性能優越的矽酸鈉，能夠生產出高品質的白炭黑
作為可選方式，在上述方法中，所述水溶、除雜步驟中的液固比為5~8:1。採用該固液比可以到達良好的除雜效果同時最大限度的減少水的用量。
[0011]作為可選方式，在上述方法中，所述煅燒步驟是在80(T90(TC溫度下煅燒f 1.5小時。採用該溫度範圍和時間範圍可以既保證所得矽酸鈉的質量又最大限度的減少能耗。
[0012]作為可選方式，在上述方法中，所述以矽酸鈉為原料製備白炭黑的具體步驟為:
1)取部分矽酸鈉配成二氧化矽質量百分濃度為4~10%的水玻璃溶液，維持6(T80°C，在邊攪拌下慢慢加入質量百分濃度為5~20%的酸液；
2)在pH值在8~9.5時停止加入酸液，將料液在常溫下陳化2飛小時，然後在快速攪拌下升溫，保持80°C，使其全部溶解，得矽溶液製備品。然後慢慢滴加酸液和矽酸鈉溶液，使整個反應在鹼性溶液中進行；
3)加料完成後，以酸液調節pH值在5~7，保溫熟化30分鐘左右(20-40分鐘)出料，將所出料過濾的同時水洗，至產品中鈉離子含量小於0.6%為止，將生成物乾燥脫水，並粉碎得成品白炭黑。
[0013]作為可選方式，在上述方法中，在所述步驟I)中的水玻璃模數在2.0-3.5。在該模數範圍內的水玻璃更容易在較`低的溫度下溶解，有利於後續反應的進行。
[0014]作為可選方式，在上述方法中，在所述步驟2)中加入酸液和矽酸鈉溶液的過程中加入硫酸鈉作為分散劑，所述硫酸鈉的質量佔反應液總質量的6~8%。加入分散劑可控制白炭黑的粒徑，避免其過分長大，從而保證產品的質量。
[0015]作為可選方式，在上述方法中，所述酸液可以是無機酸也可以是有機酸，例如可以是硫酸、磷酸、硝酸、鹽酸、碳酸、醋酸或酒石酸中的任一種。
[0016]本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0017]本發明的有益效果:
1、本發明提供了一種製備白炭黑的新工藝，豐富了其原料的選擇，也是對黑曜石的一種新應用。。
[0018]2、本發明所述方法投資少，工藝易掌握，含65%以上二氧化矽的黑曜石I噸可生產3噸40%(質量百分濃度)的矽酸鈉，這樣的濃度，可獲得模數在2.2^4.2之間的水玻璃6噸，使可生產出高純度白炭黑，經濟效益好。
[0019]【具體實施方式】:
以下通過實施例的【具體實施方式】再對本發明的上述內容作進一步的詳細說明。但不應當將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實例。在不脫離本發明的精神和原則之內做的任何修改，以及根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的等同替換或者改進，均應包括在本發明的保護範圍內。實施例中所涉及的百分比，如無特殊說明均為重量百分比。。[0020]實施例1:以黑曜石為原料製備矽酸鈉
首先把黑曜石粉碎，再將粉碎的黑曜石和純鹼以一定比例混合均勻，再將混合物在800°C以上溫度下煅燒，生成熔融矽酸鈉，把熔融矽酸鈉經水溶，過濾除雜，得到矽酸鈉。
[0021]實驗證明，I噸二氧化矽在65%以上的黑曜石可生產3噸40%的矽酸鈉。
[0022]通過一系列單因素對比實驗證實:將所述黑曜石粉碎至100%通過120目標準分樣篩(粒徑小於150微米)時有利於在製備過程中更好地除去其中的雜質，黑曜石粒徑較大時會在一定程度上對製備白炭黑的品質造成不良影響；所述黑曜石與純鹼的質量比為1:
1.2~1.5時可以獲得性能優越的矽酸鈉；所述水溶、除雜步驟中的液固比為51:1時可以到達良好的除雜效果同時最大限度的減少水的用量，所述煅燒步驟採用80(T90(TC溫度下煅燒f 1.5小時可以既保證所得矽酸鈉的質量又最大限度的減少能耗。所述熔融矽酸鈉的水溶可以是趁熱向熔融矽酸鈉加水溶解，也可待熔融矽酸鈉冷卻後再加水溶解。其中趁熱加水溶解，能夠將玻璃萃碎，玻璃更易溶解。
[0023]實施例2:
以生產粒徑小於2.0mm的白炭黑為例，所用黑曜石組成如表1所示。第一步生產矽酸鈉，首先用磨機將黑曜石粉碎至100%通過120目標準分樣篩，取黑曜石粉末20g，將黑曜石粉與純鹼按1:1.2比例混合均勻，再將混合料投入馬弗爐內，在800°C下煅燒I小時，生成熔融矽酸鈉。取出冷卻後，加入200mL水(固液比約為1:5)溶解，過濾除雜，即得半成品矽酸鈉溶液。第二步，採用沉澱法，用矽酸鈉生產白炭黑:取部分半成品矽酸鈉配成二氧化矽含量4%的水玻璃溶液(其模數為2)，維持60°C，在邊攪拌下慢慢加入濃度為5%的硫酸，至pH值為9.0時，停止加入硫酸，常溫下陳化2小時，快速攪拌，升溫，保持80°C，使其全部溶解，得矽溶液製備品。然後慢慢滴加硫酸溶液和矽酸鈉溶液，使整個反應在鹼性溶液中進行，在此過程中加入質量佔總液量6%的分散劑硫酸鈉，加完料後，用硫酸調節pH值為6.0，保溫熟化20分鐘，出料。將所出料過濾，同時用水洗滌，至產品中含鈉離子為0.4%，將生成物在150°C下乾燥，脫水，至含水量3%，粉碎，得成品白炭黑。通過紅外光譜分析和X射線衍射(XRD)分析證實:通過此方法成功製備了白炭黑。
[0024]經檢驗，該條件下製得的白炭黑結構為多孔絮狀，白度84.9%，純度SiO2≥94.9%，雜質 Fe ( 0.227%。
[0025]表1所用黑曜石組成
【權利要求】
1.一種利用黑曜石製備白炭黑的方法，其特徵在於，所述方法包括兩個步驟，其中第一步是以黑曜石為原料製備矽酸鈉；第二步是以所述矽酸鈉為原料製備白炭黑。
2.根據權利要求1所述的利用黑曜石製備白炭黑的方法，其特徵在於，所述以黑曜石為原料製備矽酸鈉的具體步驟為:首先把黑曜石粉碎，再將粉碎的黑曜石和純鹼以一定比例混合均勻，再將混合物在800°C以上溫度下煅燒，生成熔融矽酸鈉，把熔融矽酸鈉經水溶，過濾除雜，得到矽酸鈉溶液。
3.根據權利要求2所述的利用黑曜石製備白炭黑的方法，其特徵在於，所述粉碎步驟為把黑曜石粉碎至100%通過120目標準分樣篩。
4.根據權利要求2所述的利用黑曜石製備白炭黑的方法，其特徵在於，所述黑曜石與純鹼的質量比為1:1.2~1.5。
5.根據權利要求2所述的利用黑曜石製備白炭黑的方法，其特徵在於，所述水溶、除雜步驟中的液固比為5~8:1。
6.根據權利要求2所述的利用黑曜石製備白炭黑的方法，其特徵在於，所述煅燒步驟是在800~900°C溫度下煅燒I~1.5小時。
7.根據權利要求1所述的利用黑曜石製備白炭黑的方法，其特徵在於，所述以矽酸鈉為原料製備白炭黑的具體步驟為: O取部分矽酸鈉配成二氧化矽質量百分濃度為4~10%的水玻璃溶液，維持60~80°C，在邊攪拌下慢慢加入質量百分濃度為5~20%的酸液； 2)在pH值在8~9.5時停止加入酸液，將料液在常溫下陳化2~6小時，然後在快速攪拌下升溫，保持80°C，使其全部溶解，得矽溶液製備品，然後慢慢滴加酸液和第一步製得的娃酸鈉溶液，使整個反應在鹼性溶液中進行；` 3)加料完成後，以酸液調節pH值在5~7，保溫熟化20-40分鐘後出料，將所出料過濾的同時水洗，至產品中鈉離子含量小於0.6%為止，將生成物乾燥脫水，並粉碎得成品白炭m
O
8.根據權利要求7所述的利用黑曜石製備白炭黑的方法，其特徵在於，在所述步驟2)中加入酸液和矽酸鈉溶液的過程中加入硫酸鈉作為分散劑，所述硫酸鈉的質量佔反應液總質量的6~8%。
9.根據權利要求7所述的利用黑曜石製備白炭黑的方法，其特徵在於，所述酸液為硫酸、磷酸、硝酸、鹽酸、碳酸、醋酸或酒石酸中的任一種。
【文檔編號】C01B33/32GK103787341SQ201310729112
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】杜懷明, 羅容珍, 張峰榛, 黃斌, 周剛 申請人:四川理工學院