CN105197940A

CN105197940A - 一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法

Info

Publication number: CN105197940A
Application number: CN201510651029.0A
Authority: CN
Inventors: 高宏宇; 宋桢桢
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2015-12-30

Abstract

本发明公开了一种水淬高炉渣制备白炭黑的方法，它以钢铁企业废弃物为原料进行酸溶制备白炭黑。本发明以水淬高炉渣为主要原料，研磨至一定粒度后采用一定浓度的工业无机酸进行酸溶，同时使用超声清洗器进行振荡使水淬高炉渣在酸中分散均匀，再进行水浴加热，最后经冷却、离心、冷冻干燥即得白炭黑。本发明可有效回收利用冶炼生铁时排放大量的水淬高炉渣，节省存放空间和管理经费；且涉及的制备方法和反应条件简单，可有效降低制备成本和能耗、节能环保，适合工业化推广使用。

Description

一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法

技术领域

本发明属于材料化学及固废废弃物综合利用领域，具体涉及一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法。

背景技术

目前白炭黑市场多采用气相法和沉淀法制备工艺，气相法是以四氯化硅或三氯一甲基硅烷为原料，高温下反应，对设备要求较高，原料稀少极贵，技术控制复杂，投资规模很大；沉淀法以水玻璃为原料，与硫酸或盐酸作用，生成硅酸，再分解而制得白炭黑，而水玻璃的生产也需要高温加热，对环境要求较高，且产品活性不高，颗粒不易控制。这两种生产工艺都需要高温加热，高耗能，过程复杂，因此生产成本较高。而现有专利的类似发明多以含硅废弃物为原料，先高温焙烧后再使用无机酸酸浸，从而得到二氧化硅晶体。

中国发明专利申请CN200710202680.5公开的一种制取水合二氧化硅的方法，以攀钢的高钛型水淬高炉渣为原料，使用硫酸、盐酸、硝酸或磷酸中的一种或几种的混合物进行酸浸，然后过滤将滤液加热、再冷却，最后得到二氧化硅晶体。中国发明专利申请CN89105865.6公开了一种用盐酸分解高炉渣制取化工产品的方法。该方法将含钛水淬高炉渣和稀盐酸共磨，成为含水细渣后再加入到32～40wt％的浓盐酸中加热，加热温度为80～110℃，酸解时间为6～20小时。该方法存在的问题有：1)所需盐酸浓度(32～40wt％)过高，工业盐酸的浓度为31％左右，需要特殊方法生产，成本过高；2)反应温度为80～110℃，酸解时间为6～20小时，耗能过高。

因此，进一步探索工艺流程简单、制备成本低、环境友好的白炭黑制备方法，具有重要的实际应用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，其制备工艺和反应条件简单、能耗低、环境友好，制备的白炭黑纯度高、比表面积大、成本低、产率高，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，它包括以下步骤：以水淬高炉渣为原料，将其进行研磨至粒度为200～400目，并在常温条件下置于浓度为1～5mol/L的盐酸溶液中(进行酸溶)，同时进行超声振荡分散，再进行水浴加热，得白色的悬浊液，最后经冷却、离心分离、洗涤和冷冻干燥，即得白炭黑。

上述方案中，所述水淬高炉渣与盐酸溶液的质量比(渣酸质量比)为1:(15～30)。

上述方案中，所述超声振荡分散时间为15～30min。

上述方案中，所述水浴加热温度为90～100℃，保温时间为1～2h。

上述方案中，所述离心分离时间为10～20min，转速为3000～4000r/min。

上述方案中，所述冷冻干燥时间为12～24h，温度为-30～-60℃。

上述方案中，所述洗涤步骤为依次采用盐酸溶液洗涤2～3次，再用水洗涤2～3次。

优选的是，上述制备步骤中，水淬高炉渣研磨后的粒度为200目，盐酸溶液浓度为1mol/L，渣酸质量比为1:30，超声振荡分散时间为30min，水浴加热温度为100℃，保温时间为2h，洗涤条件为2次酸洗(1mol/L盐酸溶液)、2次水洗。

优选的是，上述制备步骤中，水淬高炉渣研磨后的粒度为400目，盐酸溶液浓度为5mol/L，渣酸质量比1:30超声振荡分散时间为15min，水浴加热温度为90℃，保温时间为1.5h，洗涤条件为3次酸洗(5mol/L盐酸溶液)、3次水洗。

本发明所述的反应温度、酸浓度和渣酸比下可实现硅的浸出和析出几乎同步进行，降低了溶液中的硅含量，使原料中的二氧化硅能够尽可能的全部析出得到白炭黑中，实现二氧化硅的高回收率，有利于产品的品质提升和产量最大化；同时本发明中酸浓度为水合二氧化硅的形成提供了充足的氢离子和大量的水，颗粒表面的zeta电位迅速降低，为水合二氧化硅的聚合提供了很强的催化作用，实现低浓度酸在白炭黑生产中的应用。

本发明的有益效果为：

1)本发明选用的水淬高炉渣为冶金工业高炉渣处理工艺(水淬法和空冷法)废弃物之一，水淬法产量约占高炉渣处理工艺产量的80％以上，所得水淬高炉渣的结构为无定型结构，有利于白炭黑的制备，并可有效实现工业废弃物的回收利用，环境友好。

2)本发明采用低浓度的盐酸溶液(常规工业级盐酸即可配制)在常规的耐腐蚀工业反应器中即可生产，无需特制高耐腐蚀设备；涉及的制备过程中无需高温煅烧、能耗低、盐酸浓度低、反应时间短、工艺简单、操作易控制，大大降低了制备成本，且生产过程中环保无污染，适合推广应用。

3)本发明制备的白炭黑质量百分含量≥85％，比表面积≥200m²/g，具有较高的纯度和比表面积，且制备方法简单、重复性高，适合工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1制得白炭黑的XRD图。

图2为本发明实施例1制得白炭黑的SEM图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例如无具体说明，采用的试剂市售化学试剂或工业产品。

以下实施例中，所述水淬高炉渣由山西省中阳钢铁有限公司提供，其化学组分按重量百分比计为：CaO38.42％、MgO10.51％、SiO₂31.99％、Al₂O₃13.77％、S0.89％、FeO0.52％、MnO0.60％、TiO₂1.41％，余量为杂质。

实施例1

一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

将水淬高炉渣粒度进行研磨至粒度为200目，在常温条件下，将其置于盐酸溶液(1mol/L)中，其中水淬高炉渣与盐酸溶液的质量比(渣酸质量比)为1:30，同时使用超声清洗器进行超声振荡分散，时间为15min，然后在100℃水浴条件下加热保温2h，最后依次经离心分离(离心时间为20min，转速为3000r/min)、2次酸洗(1mol/L盐酸溶液)、2次水洗、冷冻干燥(冷冻干燥时间为24h，冷冻温度为-30℃)，即得最终产品。

将本实施例制备的产品进行X射线衍射分析，结果见图1。图1中在23°左右处存在明显的无定型二氧化硅特征峰，说明所得产物即为白炭黑。本实施例所得产品的SEM图见图2，图中明显可以看到产品是由大量不规则颗粒堆积的，而且有着大量的孔隙。

本实施例所得白炭黑的质量百分含量≥85％(质量纯度)；根据BET设备检测，其比表面积≥200m²/g；每克水淬高炉渣的白炭黑产量为0.376g。

实施例2

一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

将水淬高炉渣粒度进行研磨至粒度为200目，在常温条件下，将其置于盐酸溶液(3mol/L)中，其中水淬高炉渣与盐酸溶液的质量比(渣酸质量比)为1:20，同时使用超声清洗器进行超声振荡分散，时间为20min，然后在95℃水浴条件下加热2h，最后依次经离心分离(离心时间为10min，转速为4000r/min)、2次酸洗(3mol/L盐酸溶液)、2次水洗、冷冻干燥(冷冻干燥时间为12h，冷冻温度为-60℃)，即得白炭黑。

本发明制备的白炭黑的质量百分含量≥85％(质量纯度)，比表面积≥200m²/g，每克水淬高炉渣的白炭黑产量为0.376g。

实施例3

一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

将水淬高炉渣粒度进行研磨至粒度为400目，在常温条件下，将其置于盐酸溶液(3mol/L)中，其中水淬高炉渣与盐酸溶液的质量比(渣酸质量比)为1:30，同时使用超声清洗器进行超声振荡分散，时间为15min，然后在90℃水浴条件下加热1h，最后依次经离心分离(离心时间为15min，转速为4000r/min)、3次酸洗(3mol/L盐酸溶液酸洗)、3次水洗、冷冻干燥(冷冻干燥时间为12h，冷冻温度为-60℃)，即得白炭黑。

本发明制备的白炭黑的质量百分含量≥89％(质量纯度)，比表面积≥200m²/g，每克水淬高炉渣的白炭黑产量为0.359g。

实施例4

一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

将水淬高炉渣粒度进行研磨至粒度为200目，在常温条件下，将其置于盐酸溶液(5mol/L)中，其中水淬高炉渣与盐酸溶液的质量比(渣酸质量比)为1:20，同时使用超声清洗器进行超声振荡分散，时间为15min，然后在90℃水浴条件下加热1h，最后依次经离心分离(离心时间为15min，转速为4000r/min)、3次酸洗(5mol/L盐酸溶液酸洗)、3次水洗、冷冻干燥(冷冻干燥时间为24h，冷冻温度为-60℃)，即得白炭黑。

本发明制备的白炭黑的质量百分含量≥90％(质量纯度)，比表面积≥200m²/g，每克水淬高炉渣的白炭黑产量为0.355g。

实施例5

一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

将水淬高炉渣粒度进行研磨至粒度为400目，在常温条件下，将其置于盐酸溶液(5mol/L)中，其中水淬高炉渣与盐酸溶液的质量比(渣酸质量比)为1:30，同时使用超声清洗器进行超声振荡分散，时间为30min，然后在100℃水浴条件下加热2h，最后依次经离心分离(离心时间为20min，转速为3000r/min)、3次酸洗(5mol/L盐酸溶液酸洗)、3次水洗、冷冻干燥(冷冻干燥时间为24h，冷冻温度为-50℃)，即得白炭黑。

上述结果表明，本发明制备的白炭黑具有较高的纯度、比表面积和产量，且涉及的制备方法和反应条件简单(盐酸溶液浓度低，对反应容器要求低)，可有效降低制备成本和能耗、节能环保，适合工业化推广使用。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，其特征在于，它以水淬高炉渣为原料，将其进行研磨后，并置于浓度为1～5mol/L的盐酸溶液中，同时进行超声振荡分散，再进行水浴加热，最后经冷却、离心分离、洗涤和冷冻干燥，即得白炭黑。

2.根据权利要求1所述的利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，其特征在于，所述水淬高炉渣与盐酸溶液的质量比为1:(15～30)。

3.根据权利要求1所述的利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，其特征在于，所述研磨粒度为200～400目。

4.根据权利要求1所述的利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，其特征在于，所述超声振荡分散时间为15～30min。

5.根据权利要求1所述的利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，其特征在于，所述水浴加热温度为90～100℃，保温时间为1～2h。

6.根据权利要求1所述的利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，其特征在于，所述离心分离时间为10～20min，转速为3000～4000r/min。

7.根据权利要求1所述的利用水淬高炉渣制备白炭黑的方法，其特征在于，所述冷冻干燥时间为12～24h，温度为-30～-60℃。