CN105050707A - 减少的结晶二氧化硅的硅藻土产品及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有减少含量的方石英和较高Y值的硅藻土产品。该硅藻土产品以传统方式制备，以产生助熔煅烧硅藻土。该助熔煅烧硅藻土与氢氧化钾混合，随后加热该混合物。氢氧化钾和后煅烧热处理的结合导致了具有更少的方石英含量，以及更白、亮度更高外观的硅藻土产品。

Description

减少的结晶二氧化硅的硅藻土产品及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有减少的方石英含量的硅藻土产品，及其制造方法和系统。
背景技术
硅藻土在利用其吸附，过滤以及其它性质许多应用中已被使用多年。硅藻土矿石是一种自然产生的矿石，其相当容易碾成精细的粉末。硅藻土主要由水藻类的硅藻的骨骼残留形成，并主要包括二氧化硅，伴有某些少量的钠，铝和铁。不同元素的百分比可根据硅藻土的来源和收集点而变化，但一般来说，无定形的二氧化硅构成了超过硅藻土85%的重量。
硅藻土可用作助滤剂、在包括牙膏的产品用作柔和的磨料、机械杀虫剂、液体吸收剂、用于涂料的消光剂、塑料和橡胶中的增强填料、塑料膜中的防结块剂，化学催化剂中的多孔载体、猫砂、以及炸药中的稳定成分。因为其为耐热的，其还可用作隔热材料。
由于硅藻土的高的孔隙度，以及通过改善硅藻土产品的粒径可调节该孔隙度，所以硅藻土是一种优越的助滤剂。硅藻土还为优越的填料，通过合适的处理，最后的硅藻土产品可以制备成明亮的、白色形式。
用于制备硅藻土的传统的方法一般以碾碎和研磨步骤来开始，其中将硅藻土在打开的圆形（circuit）中研磨成粒径中值约为10-20微米。其随后送去煅烧，该矿石在约大于1000°C，一般在具有助熔剂的条件下进行加热。在煅烧过程中使用的高温和助熔剂产生了高渗透性的产品。为了制造最后的产品明亮，该助熔剂一般为钠助熔剂。
在具有钠助熔剂的煅烧步骤中，硅藻外壳中的显著量的无定形二氧化硅转化成结晶二氧化硅，主要为方石英的形式。这种转化发生在在有或没有助熔剂的加入的情况下的高温煅烧下。不幸的是，方石英可为非理想的，特别是其以可吸入或空中浮游的形式存在（例如，粒径小于10微米）。利用传统方法产生的硅藻土产品可包含大于1wt%的可吸入或空中浮游的方石英，且所包括的方石英总含量为50-75wt%。结果，硅藻土生产商努力地减少方石英硅藻土中方石英的含量，特别是方石英或结晶二氧化硅中的可吸入或空中浮游的颗粒的含量。不幸的是，到目前为止，这些努力还没有成功开发出一种经济的方法，该方法能够制备具有理想明亮的、白的外观的低方石英的硅藻土产品。
CIE标准观察者函数用于确定标准人类观察者是如何感应颜色的。该CIE三基色刺激值(XYZ)从CIE标准观察者函数中计算得到，并考虑到照明的类型和样品的反射。该XYZ值基于理想漫反射的照明来计算得到，理想漫反射在每个波长处具有100的反射率。定义理想白色的Y值等于100。CIE公开15.2(1986)包括在XYZ颜色映射表上的信息以及CIE标准观察者函数。对于硅藻土产品来说，许多应用需要明亮、白色的外观，以及因此较高的Y值。
已知地，不管是否加入助熔剂，从无定形二氧化硅到方石英的转变发生在高温下，且当加入钠基助熔剂时，会加速该转化。相应地，减少结晶二氧化硅形成的努力包括尝试在没有助熔剂的情况下进行煅烧，在具有非钠基助熔剂（例如：钾）情况下的煅烧，减少硅藻土暴露在煅烧高温下的时间（也称为“闪速煅烧”），完全去掉煅烧步骤，或在助熔煅烧中加入钾化合物。钾基助熔剂被成功地用于制备硅藻土助滤剂，但钾基助熔剂的使用并没有产生中间体或高渗透性的助滤剂。
因此，需要具有明亮白色外观、高渗透性以及具有低含量方石英的硅藻土产品以及制造该硅藻土产品的方法。
发明内容
在一个方面，公开了用于制备硅藻土产品的方法。该公开的方法可包括研磨硅藻土矿石以制备研磨的硅藻土。该研磨硅藻土可随后利用钠助熔剂来煅烧，以制备助熔煅烧（flux-calcined）的硅藻土，或可直接煅烧硅藻土，以制备直接煅烧的硅藻土。术语“煅烧的硅藻土”将在此被限定成包含了助熔煅烧和直接煅烧的材料。该方法可随后还包括将煅烧的硅藻土与氢氧化钾混合在一起，来制备煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物。最后，该方法还包括加热煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物来制备硅藻土产品。
在另一个方面，公开了一种将硅藻土转化为低方石英液体吸附剂的方法，所述硅藻土用作过滤剂并包括在过滤中捕获的固体方石英。该公开的方法包括将硅藻土和固体与氢氧化钾混合，以制备硅藻土、固体以及氢氧化钾的混合物。该方法还包括加热硅藻土、固体以及氢氧化钾的混合物，以制备低方石英的液体吸附剂。
在另一个方面，公开了一种硅藻土产品，其包括具有少于约55wt%方石英的硅藻土，且所述硅藻土的Y值约大于88。
在上述的任意一个或多个实施例中，该煅烧的硅藻土可包括方石英的第一含量，且该硅藻土产品可包括方石英的第二含量，其中该第二含量少于该第一含量。在这种概念的另一个细化例子中，该第二含量可以比第一含量约少一半。在这种概念的另一个细化例子中，该第二含量可比第一含量约少25%。在这种概念的另一个细化例子中，该第二含量可比第一含量约少20%。
在上述任一个或多个实施例中，该煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物可包括达到约15%氢氧化钾。在这种概念的另一个细化例子中，该混合物可包括约0.5%到约15%%的氢氧化钾。在这种概念的另一个细化例子中，该混合物可包括约2.5%到约15%%的氢氧化钾。
在上述的任意一个或多个实施例中，该硅藻土产品可包括约10%到约17%的方石英。
在上述的任意一个或多个实施例中，当与煅烧的硅藻土混合时，该氢氧化钾为粉末形式。可替代地，该氢氧化钾可以水溶液或浆液的形式来加入。
在上述的任意一个或多个实施例中，煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物的加热可在约649°C至约1100°C之间的温度范围来进行。在这种概念的另一个细化例子中，该温度范围可从约850°C至约1100°C。
在上述的任意一个或多个实施例中，硅藻土产品所具有的Y值为至少88。在这种概念的另一个实施例中，该硅藻土产品可具有约88至约94的Y值。
在上述的任意一个或多个实施例中，该煅烧的硅藻土和氢氧化钾混合物的加热可在范围约5分钟到约40分钟的时间段内进行。
在上述的任意一个或多个实施例中，该硅藻土产品包含约少于20wt%的方石英。
具体实施方式
助熔煅烧的硅藻土的助滤剂、填料、以及其它产品的制备需要钠助熔化合物的使用，该钠助熔化合物使得到的硅藻土聚集以及变得明亮，从而使得它们适用于过滤，并在自然和直接煅烧级的硅藻土不适用的应用中用作功能添加剂。但是，钠助熔剂的加入对促进包括硅藻壳的无定形二氧化硅的抗结晶性具有负面效应，其导致了称为方石英的结晶二氧化硅相的形成。方石英如上所述，方石英如其它形式的结晶二氧化硅（例如石英）一样，方石英是不期望的。上述公开是针对助熔煅烧硅藻土产品和包含显著量的方石英的直接煅烧硅藻土产品的处理，以减少其中方石英的含量。令人惊讶地，已发现通过将固定（粉末），或溶液的氢氧化钾加入到现存的硅藻土产品中，并对混合物进行中度加热可减少硅藻土产品中的方石英的含量，同时保持或甚至增加了硅藻土产品的亮度。
因此，一般来说，在此公开的方法包括将氢氧化钾与包含方石英的硅藻土产品进行混合。该混合物随后被加热，且氢氧化钾和加热的结合导致了硅藻土产品中结晶二氧化硅或方石英含量的下降。已发现向煅烧（助熔或直接）硅藻土产品中加入氢氧化钾达到约15wt%的量会在加热处理中产生聚集，并降低了助熔煅烧的硅藻土中方石英的量达到约87%，以及直接煅烧的硅藻土中方石英的量约78%。现惊讶地发现，氢氧化钾的加入与加热处理结合可提高最终产品的亮度。结果，可方石英可制备硅藻土助熔煅烧助滤剂和填料，其具有大幅降低的方石英，且外观更明亮，或具有较高的Y值。之前的尝试主要集中在避免煅烧过程中的方石英的形成，在该公开之前，没有尝试通过后煅烧处理来减少方石英含量。
在湿的硅藻土产品中加入不同浓度的氢氧化钾，并在不同温度的热处理之前进行完全的混合。在热处理之前和之后进行X-射线衍射，以确定方石英减少的量。
因此，在研磨硅藻土矿石以制备研磨的硅藻土之后，并在煅烧具有钠助熔剂的研磨的硅藻土以制备助熔煅烧的硅藻土之后，加入不同含量的氢氧化钾，并完全地与助熔煅烧的硅藻土混合，以制备煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物。随后在不同温度下进行热处理。
如表1所示，在硅藻土助滤剂产品中加入5wt%的氢氧化钾，并随后在649°C-1088°C加热处理约10分钟。
1利用X射线衍射来确定
如表1所示，当氢氧化钾的加入量达到约5wt%时，更高的热处理温度提供了方石英含量的更大减少。在以下的表2中，氢氧化钾的量是变化的，且热处理可在约1038°C(1900°F)的温度下进行约40分钟。该硅藻土产品可为功能性填料。
2利用KonicaMinoltaCR-400色差仪来测量
如表2所示，氢氧化钾的量的增加使方石英的减少更多。然而，读者要注意的是当15%的氢氧化钾来相对于10%的氢氧化钾来使用时，该Y值轻微下降。
如以下的表3所示，在约1038°C、使用约5wt%氢氧化钾的后煅烧热处理过程中的氢氧化钾的作用导致方石英的大量减少。特别地，表3中的产品为过滤产品，并在用氢氧化钾处理和在1038°C加热之前包括56.7wt%的方石英。当用5wt%的氢氧化钾处理，并在1038°C下加热约40分钟时，该方石英的含量从56.7wt%下降到7.2wt%，或方石英约减少了87%。
表4展示了使用5wt%的氢氧化钾在两种不同温度下，热处理的效果，且初始方石英的浓度约为56.7%。
如表4所示，热处理温度在大于5分钟的时间段从982°C增加到1038°C，导致了在最终产品中更少的方石英，且热处理时间从5分钟增加至40分钟也导致了两个温度的最终产品的方石英含量的进一步减少。
表5展示了在10%和5%的两种KOH浓度下，对直接煅烧的硅藻土助滤剂进行40分钟的1900°F(1038°C)的热处理的效果。明显地，10%浓度的KOH提供了优越的结果。
工业应用性
公开了一种制备硅藻土产品的方法，其中的硅藻土经过研磨，并煅烧以制备煅烧的硅藻土。该煅烧的硅藻土与范围在约0.5wt%至约15wt%的氢氧化钾混合，以制备混合物，随后在约649°C至约1088°C的温度范围内，对该混合物进行约5分钟至约40分钟的时间段的加热。所得到的硅藻土产品具有大幅减少的方石英含量以及较高的Y值，或更明亮、更白的外观。

Claims (23)

1.一种制备硅藻土产品的方法，所述方法包括：
研磨硅藻土矿石，以制备研磨的硅藻土；
煅烧所述研磨的硅藻土，以制备煅烧的硅藻土；
将所述煅烧的硅藻土与氢氧化钾混合，以制备煅烧硅的藻土和氢氧化钾的混合物；
加热所述煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物，以制备所述硅藻土产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的硅藻土包括方石英的第一方石英含量，所述硅藻土产品具有方石英的第二含量的方石英，所述第二含量少于所述第一含量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的硅藻土包括方石英的第一方石英含量，所述硅藻土产品具有方石英的第二方石英含量，所述第二含量约少于所述第一含量的一半。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的硅藻土包括方石英的第一方石英含量，所述硅藻土产品具有方石英的第二方石英含量，所述第二含量约少于所述第一含量的25%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的硅藻土包括方石英的第一含量方石英，所述硅藻土产品具有方石英的第二含量方石英，所述第二含量约少于所述第一含量的20%。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物包括约15%的氢氧化钾。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物包括约2.5%至约15%的氢氧化钾。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅藻土产品包括约10%至约17%的方石英。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当与所述煅烧的硅藻土混合时，所述氢氧化钾为粉末形式。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物的加热在范围为约649°C至约1100°C的温度下进行。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物的加热在范围为约850°C至约1100°C的温度下进行。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅藻土产品所具有的Y值至少为88。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅藻土产品所具有的Y值范围为约88至约94。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的硅藻土和氢氧化钾的混合物的加热在约5分钟到约40分钟的时间段内进行。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧在使用助熔剂的情况下进行，以制备助熔煅烧的硅藻土。
16.一种将硅藻土转化成低方石英液体吸附剂的方法，所述硅藻土用作助滤剂，并包含在过滤过程中捕获的固体，所述方法包括：
将所述硅藻土和固体与氢氧化钾混合，以制备硅藻土、固体以及氢氧化钾混合物；和
加热所述硅藻土、固体和氢氧化钾的混合物，以制备所述低方石英液体吸附剂。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述硅藻土和固体包括方石英的第一方石英含量，且低方石英液体吸附剂具有方石英的第二含量，所述第二含量少于所述第一含量。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述硅藻土和固体包括方石英的第一方石英含量，且低方石英液体吸附剂具有方石英的第二方石英含量，所述第二含量少于所述第一含量的一半。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述硅藻土和固体包括方石英的第一方石英含量，且低方石英液体吸附剂具有方石英的第二方石英含量，所述第二含量约少于所述第一含量的25%。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述硅藻土为助熔煅烧硅藻土。
21.一种硅藻土产品，该硅藻土产品包括：
硅藻土，所述硅藻土含有约少于55wt%的方石英；和
所述硅藻土具有的Y值约大于88。
22.根据权利要求21所述的产品，其特征在于，所述硅藻土产品包括约少于20wt%的方石英。
23.根据权利要求21所述的产品，其特征在于，所述硅藻土为助熔煅烧硅藻土。
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