CN102259872A

CN102259872A - 一种利用矾矿废渣制备白炭黑的方法

Info

Publication number: CN102259872A
Application number: CN201110169327A
Authority: CN
Inventors: 彭天右; 黄诚
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2031-06-22
Also published as: CN102259872B

Abstract

本发明公开了一种利用矾矿废渣制备白炭黑的方法，包括步骤：1）称取NaOH或KOH、和粉碎处理后的钒矿废渣，并将两者混合均匀；2）将混合物在400~600℃下煅烧0.5~3h，并将所得煅烧产物置于水中浸渍，得到含硅酸根的溶液；3）将含硅酸根的溶液滴加到由10~40ml乙醇、80~200ml水、5~40g聚乙二醇、6~18g铵盐、6~14ml乙酸组成的混合液中，并调节pH至6～9使产生沉淀；4）对沉淀过滤后，对其进行酸洗、水洗、醇洗后干燥，得到前驱体；5）将前驱体在500~800℃下煅烧1~3h，即得到白炭黑。本发明所得白炭黑呈无定型网络状结构，粒径细小，可用于彩印油墨吸附剂、消光剂等的制备。

Description

一种利用矾矿废渣制备白炭黑的方法

技术领域

本发明属于工业废渣的处理及利用，尤其涉及一种利用矾矿废渣制备白炭黑的方法。

背景技术

用含钒量为1%的钒矿生产1吨五氧化二钒将产生150～200吨废渣。2010年我国五氧化二钒消费量达到4.1万吨，相对应将产生百万吨废渣。这些废渣将带来侵占土地、污染环境等问题。

矾矿废渣的成分分析显示，钒矿废渣中硅含量高达74.8%且主要杂质铁、锰、铜、铝的含量低，其中，铁含量约4.63%，锰含量约0.021%，铜含量约0.05%，铝含量约8.16%。十分适合用于生产白炭黑。目前，在彩印油墨吸附剂、消光剂等的制备领域对网络状结构白炭黑需求量越来越大，以钒矿废渣为原料制备网络状结构白炭黑具有极好的应用前景。

目前，以废渣为原料制备白炭黑的工艺主要有两种：一种方法是需要将原料在800℃以上的高温下进行煅烧，此外，还需要经过酸浸或碱浸的步骤；高温煅烧需要消耗大量能源，且酸浸或碱浸需要浸渍时间长，总体生产效率不高；另一种方法是将原料与Na₂CO₃在800℃以上的高温下碱熔，高温碱熔需要消耗大量能源，且碱熔过程会释放CO₂，不符合低碳理念。

中国专利公开号为CN1174168A、公开日为1998年2月25日、发明名称为“用煤矸石生产活性白炭黑的方法”的专利公开了一种采用煤矸石生产活性白炭黑的方法；中国专利公开号为CN1058381A、公开日为1992年2月5日、发明名称为“黄磷炉渣制取白炭黑”的专利公开了一种利用黄磷炉渣制备白炭黑的方法；中国专利公开号为CN1077969A、公开日为1993年11月3日、发明名称为“以硅灰石为原料生产白炭黑的方法”的专利公开了一种用硅灰石制备白炭黑的方法。煤矸石、黄磷炉渣、硅灰石中的硅含量不高，从而导致生产效率低下，且原材料消耗大，相对而言，钒矿废渣具有硅含量高、主要杂质含量低的优势。目前，尚无有利用钒矿废渣制备白炭黑的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明以矾矿废渣为原材料，提供了一种成本低廉、工艺简单、操控方便、能耗低的制备白炭黑的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种利用矾矿废渣制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

1）按质量比（1.4~2.2）：1称取NaOH或KOH、和粉碎处理后的钒矿废渣，并将两者混合均匀；

2）将步骤1）得到的混合物于400~600℃下煅烧0.5~3h，并将所得煅烧产物置于水中浸渍10~180min后经离心过滤得到含硅酸根的溶液，其中，所得煅烧产物中每克矾矿废渣对应用水8~24mL；

3）将步骤2）所得含硅酸根的溶液滴加到由10~40 ml乙醇、80~200ml水、5~40g聚乙二醇、6~18g铵盐、6~14ml乙酸组成的混合液中，并调节混合液的pH至6～9使产生沉淀；

4）对步骤3）中产生的沉淀过滤后，对其进行酸洗、水洗、醇洗，然后对酸洗、水洗、醇洗后的沉淀物进行干燥，得到前驱体粉末；

5）将步骤4）得到的前驱体粉末在500~800℃下煅烧1~3h，即得到白炭黑。

作为优选：

1）步骤1）中的矾矿废渣的粒径不大于37μm；

2）步骤4）中采用正丁醇异相共沸蒸馏法对酸洗、水洗、醇洗后的沉淀物进行干燥；

3）聚乙二醇为PEG600、PEG1000、PEG2000、PEG6000中的单一物或其两个以上的组合物；

4）铵盐为氯化铵、乙酸铵、碳酸氢铵中的单一物或两个的组合物。

本发明的步骤2）中将煅烧后得到的产物置于水中浸渍的目的是将产物中的硅酸钠转移至水中，得到硅酸根溶液。步骤3）中的10~40 ml乙醇、80~200ml水、5~40g聚乙二醇、6~18g铵盐、6~14ml乙酸组成的混合液中，水作为溶剂；乙醇作为分散剂；聚乙二醇作为表面活性剂，防止颗粒团聚；铵盐可以给胶束提供双电层防止产生凝胶；乙酸作为酸化剂，可以保证硅酸根溶液的滴加过程中混合液始终保持酸性环境。步骤3）中酸洗是为了除去白炭黑吸附的铁、铝等杂质，水洗是为了除去氯离子、硫酸根、钠离子等等，醇洗是为了除去表面的吸附水。

步骤3）中采用的正丁醇异相共沸蒸馏法是属于现有技术，其具体为：将经酸洗、水洗、醇洗后得到的沉淀转移到容器内，向容器内加入正丁醇，加热回流1个小时后，再加热蒸干正丁醇，因为正丁醇沸点为117℃，回流、蒸干的温度高于117℃即可。

本发明涉及的反应机理如下：

步骤2）中，NaOH与钒矿废渣煅烧时发生反应：SiO₂ + NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O；

步骤3）中，在调节混合液pH产生沉淀时发生反应：Na₂SiO₃+ 2H⁺ = H₂SiO₃ + 2Na⁺；

步骤4）中，煅烧前驱体粉末时发生反应：mH₂SiO₃= mSiO₂·nH₂O + (m-n)H₂O。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明方法具有成本低廉的优点，且工艺简单，操控方便，能耗低，适于工业化生产；

2、采用本发明方法所制备的白炭黑呈无定型网络状结构，粒径细小，可用于彩印油墨吸附剂、消光剂等的制备领域；

3、本发明方法以矾矿废渣为原材料，实现了矾矿废渣的再利用，不仅可以保护环境，还能创造经济价值。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2是实施例1所制备的白炭黑的X射线衍射（XRD）图谱；

图3是实施例1所制备的白炭黑的红外测试（IR）图谱；

图4是实施例1所制备的白炭黑的透射电子显微镜（TEM）照片；

图5是实施例2所制备的白炭黑的透射电子显微镜（TEM）照片；

图6是实施例3所制备的白炭黑的透射电子显微镜（TEM）照片。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐述本发明。

实施例1

分别称取7g NaOH和5g 钒矿废渣，并将两者混合均匀；将混合物在600℃下煅烧0.5h，将煅烧得到的产物置于40ml水中浸渍10min后经离心过滤得到硅酸根溶液；将得到的硅酸根溶液滴加到由10ml乙醇、80ml水、5g聚乙二醇6000、6g氯化铵、6ml乙酸组成的混合液中，并调节pH至6，将沉淀经酸洗、水洗、醇洗后，利用正丁醇异相共沸蒸馏法对酸洗、水洗、醇洗后的沉淀物进行干燥得到前驱体粉末；将前驱体粉末在800℃下煅烧1h，即得到无定形网络状结构白炭黑。

图2和图3分别为本实施例产物的X射线衍射（XRD）图谱和红外测试（IR）图谱，从图2图谱中看出本实施例产物是无定形结构，通过图3图谱中的特征峰可看出本实施例产物是二氧化硅。本实施例产物的形貌和粒径见图4所示，图4可看出产物形貌为网络状，粒径细小，约140nm。

实施例2

分别称取11g NaOH 和5g钒矿废渣，并将两者混合均匀；将混合物在400℃下煅烧3h，将煅烧得到的产物置于120ml水中浸渍180min后经离心过滤得到硅酸根溶液；将得到的硅酸根溶液滴加到由40ml乙醇、200ml水、20g聚乙二醇2000、20g聚乙二醇600、18g氯化铵、14ml乙酸组成的混合液中，并调节pH至8，将沉淀经酸洗、水洗、醇洗后，利用正丁醇异相共沸蒸馏法对酸洗、水洗、醇洗后的沉淀物进行干燥得到前驱体粉末；将前驱体粉末在500℃煅烧3h，即得到无定形网络状结构白炭黑。本实施例产物的形貌和粒径如图5所示，图5可看出产物形貌为网络状，粒径细小，约100nm。

实施例3

分别称取9.5g NaOH和5g钒矿废渣，并将两者混合均匀；将混合物在550℃下煅烧2h，将煅烧得到的产物置于90ml水中浸渍60min后经离心过滤得到硅酸根溶液；将得到的硅酸根溶液滴加到由20ml乙醇、120ml水、20g聚乙二醇1000、10g氯化铵、9ml乙酸组成的混合液中，并调节pH至9，将沉淀经酸洗、水洗、醇洗后，利用正丁醇异相共沸蒸馏法对酸洗、水洗、醇洗后的沉淀物进行干燥得到前驱体粉末；将前驱体粉末在600℃煅烧2h，即得到无定形网络状结构白炭黑。本实施例产物的形貌和粒径如图6所示，图5可看出产物形貌为网络状，粒径细小，约28nm。

上述实施例1-3中的NaOH可由KOH替换，氯化铵可由乙酸铵、或碳酸氢铵替换，并对所得产物结构、形貌和粒径均没有影响。

Claims

1.一种利用矾矿废渣制备白炭黑的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用矾矿废渣制备白炭黑的方法，其特征在于：

所述的矾矿废渣的粒径不大于37μm。

3.根据权利要求1或2所述的利用矾矿废渣制备白炭黑的方法，其特征在于：

所述的步骤4）中采用正丁醇异相共沸蒸馏法对酸洗、水洗、醇洗后的沉淀物进行干燥。

4.根据权利要求1或2所述的利用矾矿废渣制备网络状结构白炭黑的方法，其特征在于：

所述的聚乙二醇为聚乙二醇600、聚乙二醇1000、聚乙二醇2000、聚乙二醇6000中的单一物或其两个以上的组合物。

5.根据权利要求3所述的利用矾矿废渣制备网络状结构白炭黑的方法，其特征在于：

6.根据权利要求1或2所述的利用矾矿废渣制备网络状结构白炭黑的方法，其特征在于：所述的铵盐为氯化铵、乙酸铵、碳酸氢铵中的单一物或两个的组合物。

7.根据权利要求3所述的利用矾矿废渣制备网络状结构白炭黑的方法，其特征在于：

所述的铵盐为氯化铵、乙酸铵、碳酸氢铵中的单一物或两个的组合物。