CN107892307B - 利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法，属于保温材料领域。方法包括以下步骤：S1、原料浆的配制：将碱石灰烧结法赤泥与硅酸钠溶液按液固比10‑25:1混合配制原料浆，其中，配制后的原料浆中钙硅摩尔比为0.83‑1:1；S2、水热合成法制备硅酸钙材料浆料：将步骤S1的原料浆在密闭条件下150‑200℃搅拌反应4‑20h，获得硅酸钙材料浆料；S3、硅酸钙粉体材料的合成：将所述步骤S2获得的硅酸钙材料浆料在室温下冷却，通过分离获得固体产物和氢氧化钠溶液，然后将分离后的固体产物水洗至中性，干燥去除水分，获得雪硅钙石或/和硬硅钙石。本发明操作简单，工序少，成本低，制备效率高，实现了废弃物资源的高附加值利用，节能环保。

Description

利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法
技术领域
本发明属于保温材料领域，涉及一种利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法。
背景技术
硅酸钙类材料是以雪硅钙石、硬硅钙石、硅灰石为主要组成的材料，因具有特殊的理化性质而被广泛应用，主要应用于冶金、建材、纺织、电力系统等暖通设备和管道的保温，以及船舶隔热保温等领域。
硅酸钙水化物结晶制品包括两种：一种是雪硅钙石型，又叫托贝莫来石(5CaO·6SiO2·5H2O)，最高使用温度为650℃，一般采用静态水热合成；另一种是硬硅钙石(6CaO·6SiO2·H2O)型，使用温度可达到1000℃，一般采用动态水热合成。影响硬硅钙石制备技术的关键因素是原料性质，其决定着原始组分的溶解度，影响CaO-SiO2-H2O水热反应体系的反应历程和产物，因此选择优良的硅质原料、钙质原料、添加剂尤为重要。传统工艺生产硅酸钙类材料，其硅质原料一般是使用硅藻土或石英砂和碱在熔融条件下生成工业水玻璃的，在原料的制备过程中，需要使用大量石英砂、硅藻土等优质硅矿石与纯碱或硫酸钠在熔化窑炉中共熔，然后冷却粉碎溶解后制得，这样使得硅质原料的选择需要开采和消耗石英和硅藻土等大量不可再生的硅矿物资源，同时钙质原料除电石渣外，还可以把石灰石用焦炭或白煤等优质燃料单独烧制石灰及精制石灰乳，生产能耗及成本大，对资源和环境影响大。
随着铝工业的发展和铝土矿石品位的降低，赤泥产生量将越来越大。自2009年以来，全世界每年排放赤泥约6000万吨。我国每年排出赤泥超过3000万吨，累积赤泥堆存量高达2亿吨。目前无论是围坝堆存、填海都无法解决赤泥危害问题。赤泥中含有大量的氧化钙和氧化硅，但至今没有得到有效利用，造成可再生资源的二次浪费。因此，在土地资源日趋紧张、环境保护日趋重视，尤其在循环经济可持续发展的今天，赤泥污染与综合治理已成为人们所关注的焦点之一，对赤泥进行综合利用的研究也成了迫在眉睫的问题。目前，还未公开一种利用碱石灰烧结法赤泥来利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法。
因此，急需一种能够利用碱石灰烧结法赤泥来利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法，以解决目前碱石灰烧结法赤泥存量大、占地广、污染重和处理难的问题，同时为硅酸钙材料的制备寻找到一种新的原料，实现废弃物资源的高附加值利用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法，该方法能够有效利用碱石灰烧结法赤泥中的有价成分，为硅酸钙材料的制备找到了新的原料和方法，同时解决目前碱石灰烧结法赤泥存量大、占地广、污染重和处理难的问题，实现了废弃物资源的高附加值利用。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法，包括以下步骤：
S1、原料浆的配制：将碱石灰烧结法赤泥与硅酸钠溶液按液固比10-25:1混合配制原料浆，其中，配制后的原料浆中钙硅摩尔比为0.83-1:1；
S2、水热合成法制备硅酸钙材料浆料：将步骤S1的原料浆在密闭条件下150-200℃搅拌反应4-20h，获得硅酸钙材料浆料；
S3、硅酸钙粉体材料的合成：将所述步骤S2获得的硅酸钙材料浆料在室温下冷却，通过分离获得固体产物和氢氧化钠溶液，然后将分离后的固体产物水洗至中性，干燥去除水分，获得雪硅钙石或/和硬硅钙石。
根据本发明，所述步骤S2的搅拌速度为150-300r/min。
根据本发明，当硅钙摩尔比为0.83-0.93:1、液固比为18-22:1、反应温度为150-200℃、反应时间为8-20h和搅拌速度为200-300r/min时，合成出雪硅钙石；
当硅钙摩尔比为0.91-1:1、液固比为10-18:1、反应温度为150-190℃、反应时间为12-16h和搅拌速度为200-300r/min时，合成出硬硅钙石；
当硅钙摩尔比为0.89-0.98:1、液固比为15-25:1、反应温度为160-200℃、反应时间为4-14h和搅拌速度为150-200r/min时，合成出硬硅钙石和雪硅钙石。
根据本发明，在所述步骤S2中，所述原料浆采用油浴加热方式、盐浴加热方式和电加热方式中的任一种控制反应温度。
根据本发明，所述步骤S3的干燥温度为90-150℃。
(三)有益效果
在不添加添加剂和其他原料成分的前提下，本发明仅采用碱石灰烧结法赤泥和硅酸钠溶液两种原料，通过简单的混合原料、一步水热合成、室温冷却、过滤分离、水洗及干燥工序，就能制备出硅酸钙材料产品，本发明的方法操作简单，制备工序少，生产效率高，生产成本低，有效利用了碱石灰烧结法赤泥中的有价成分氧化钙和氧化硅，为硅酸钙材料的制备找到了新的原料和方法，同时解决了目前碱石灰烧结发赤泥存量大、占地广、污染重和处理难的问题，实现了废弃物资源的高附加值利用，节能环保，符合国家发展循环经济、建立绿色环保产业的要求。
整个合成过程中流程简单，无废弃物及污染物产生，对设备要求低，易实现产业化；在合成过程中，通过调整工艺参数，可获得不同晶型及理化性能的硅酸钙产品(雪硅钙石或/和硬硅钙石)。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
S1、原料浆的配制：将碱石灰烧结法赤泥与硅酸钠溶液混合，搅拌均匀配制出原料浆，其中，混合后的原料浆中，钙硅摩尔比Ca/Si为0.83:1，原料浆中的液固比L/S为20:1；
S2、水热合成法制备硅酸钙材料浆料：将原料浆置于密闭反应釜中，并放置在180℃的油浴锅中加热8h(油浴温度达到180℃后加热8h)，同时在加热过程中以300r/min的速度进行搅拌，水热反应使其生成雪硅钙石浆料；
在这里，使用密闭反应釜盛装原料浆主要是为了提供一种密闭反应条件，当然还可以采取其他密闭措施。
油浴加热方式可以替换成盐浴加热或电加热方式，只要能够满足均匀加热即可。
S3、硅酸钙粉体材料的合成：将反应后的雪硅钙石料浆在室温(约25℃)下冷却，通过分离获得固体产物和氢氧化钠溶液，然后将分离后的雪硅钙石采用纯净水水洗至中性，在120℃下烘干去除水分，即得固态的雪硅钙石产品(见表1)。
在这里，可以根据实际生产需求(质量、能耗、成本、环保与安全)选择合理的固液分离设备，如压滤设备、沉降设备、过滤设备、沉降设备、真空设备、离心机等。采用纯净水水洗至中性，以去除雪硅钙石表面附着的硅酸钠和氢氧化钠。
分离后得到的氢氧化钠溶液经添加一定量的二氧化硅后形成硅酸钠溶液，可返回与碱石灰烧结法赤泥配制原料浆，依次经步骤S2和S3再次制备雪硅钙石产品。换而言之，整个制备过程可回收利用水洗得到的氢氧化钠溶液制备出雪硅钙石产品。
实施例2-10
同实施例1的合成步骤类似，实施例2-10是通过调整合成过程的步骤S1中钙硅摩尔比及液固比L/S、步骤S2中的水热温度、水热时间及搅拌速度、步骤S3中的干燥温度等参数条件来合成不同硅酸钙材料。实施例2-10对不同硅酸钙材料的合成情况具体如表1所示。
表1实施例2-10对不同硅酸钙材料的合成情况。
从表1可以看出，通过调整合成过程中硅钙摩尔比、液固比、水热反应温度、水热反应时间和搅拌速度等参数，可得到不同晶型及理化性能的硅酸钙类产品。具体的，当硅钙摩尔比为0.83-0.93:1、液固比为18-22:1、反应温度为150-200℃、反应时间为8-20h和搅拌速度为200-300r/min时，合成出雪硅钙石。当硅钙摩尔比为0.91-1:1、液固比为10-18:1、反应温度为150-190℃、反应时间为12-16h和搅拌速度为200-300r/min时，合成出硬硅钙石。当硅钙摩尔比为0.89-0.98:1、液固比为15-25:1、反应温度为160-200℃、反应时间为4-14h和搅拌速度为150-200r/min时，合成出硬硅钙石和雪硅钙石的混合产物。
下面将实施例1-10制备的硅酸钙材料的物化性能参数进行对比，具体的物化性能参数如表2所示。
表2实施例1-10的硅酸钙材料类型及其参数值对比表
粉料的吸油值是指向100克粉料中缓缓加入植物油(通常为亚麻仁油)，边加边拌和，至粉末能以松散的小粒粘成一大团时，所消耗的油的量，以克计。
从表2可以看出，无论实施例1-10合成的产物是雪硅钙石，还是硬硅钙石，还是雪硅钙石和硬硅钙石的混合产物，随着产物的堆积密度的增大，吸油值则相应减小。这可能是由于当产物颗粒呈聚集态时，产物颗粒间的空隙较小，导致吸油值会减小。
本发明的技术效果体现在以下几个方面：
在不添加添加剂和其他原料成分的前提下，本发明仅采用碱石灰烧结法赤泥和硅酸钠溶液两种原料，通过简单的混合原料、一步水热合成、室温冷却、过滤分离、水洗及干燥工序，就能制备出硅酸钙材料产品，本发明的方法操作简单，制备工序少，生产效率高，生产成本低，有效利用了碱石灰烧结法赤泥中的有价成分氧化钙和氧化硅，为硅酸钙材料的制备找到了新的原料和方法，同时解决了目前碱石灰烧结发赤泥存量大、占地广、污染重和处理难的问题，实现了废弃物资源的高附加值利用，节能环保，符合国家发展循环经济、建立绿色环保产业的要求。
整个合成过程中流程简单，无废弃物及污染物产生，对设备要求低，易实现产业化。在合成过程中，通过调整工艺参数，可获得不同晶型及理化性能的硅酸钙产品(雪硅钙石或/和硬硅钙石)。
以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、原料浆的配制：将碱石灰烧结法赤泥与硅酸钠溶液按液固比10-25:1混合配制原料浆，其中，配制后的原料浆中钙硅摩尔比为0.83-1:1；
S2、水热合成法制备硅酸钙材料浆料：将步骤S1的原料浆在密闭条件下150-200℃搅拌反应4-20h，获得硅酸钙材料浆料；
S3、硅酸钙粉体材料的合成：将所述步骤S2获得的硅酸钙材料浆料在室温下冷却，通过分离获得固体产物和氢氧化钠溶液，然后将分离后的固体产物水洗至中性，干燥去除水分，获得雪硅钙石或/和硬硅钙石；
当硅钙摩尔比为0.83-0.93:1、液固比为18-22:1、反应温度为150-200℃、反应时间为8-20h和搅拌速度为200-300r/min时，合成出雪硅钙石；
当硅钙摩尔比为0.91-1:1、液固比为10-18:1、反应温度为150-190℃、反应时间为12-16h和搅拌速度为200-300r/min时，合成出硬硅钙石；
当硅钙摩尔比为0.89-0.98:1、液固比为15-25:1、反应温度为160-200℃、反应时间为4-14h和搅拌速度为150-200r/min时，合成出硬硅钙石和雪硅钙石。
2.如权利要求1所述的利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述原料浆采用油浴加热方式、盐浴加热方式和电加热方式中的任一种控制反应温度。
3.如权利要求2所述的利用碱石灰烧结法赤泥碱法合成硅酸钙的方法，其特征在于，所述步骤S3的干燥温度为90-150℃。
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