CN1648042A - 一种水合二氧化硅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水合二氧化硅的制备方法，该方法是以炼铁水淬渣或炼铜水淬渣为原料，经硫酸酸解后分离得到水合硅酸混合溶液，该混合溶液经调整pH值、除杂、陈化后，混合溶液内水合硅酸进行缩聚反应，后经分离、洗涤、烘干制得水合二氧化硅。本方法的优点在于用炼铁水淬渣或炼铜水淬渣为原料制备水合二氧化硅，不仅成本低，效益明显，而且实现了固体排放物的高附加值利用，同时带来良好的环境与生态效益。

Description

一种水合二氧化硅的制备方法

所属技术领域：

本发明涉及一种水合二氧化硅的制备方法，特别涉及用冶金水淬渣(炼铁水淬渣、炼铜水淬渣，以下简称“冶金水淬渣”)制备水合二氧化硅的制备方法。

背景技术：

传统制备水合二氧化硅的方法有两：一是以四氯化硅为原料，将四氯化硅蒸汽与氢气和空气均匀混合并于高温(1100～1800`C)下经反应、水解、凝结制得水合二氧化硅；二是以水玻璃为原料，经直接酸化疏松(或采用CO₂高温气体炭化)，制备以絮状结构沉淀的水合二氧化硅。但以上两种方法都需要价格不菲的化工原料，成本较高。

本发明的内容是提供一种以冶金水淬渣为原料制备水合二氧化硅(SiO₂·mH₂O)的方法。

发明内容：

针对上述目的，本发明提供一种以冶金水淬渣为原料，经硫酸酸解后分离得到水合硅酸混合溶液，该混合溶液经调整pH值、除杂、陈化后，混合溶液内水合硅酸进行缩聚反应，后经分离、洗涤、烘干得到水合二氧化硅的制备方法。

按上述发明制备的水合二氧化硅是由冶金水淬渣酸解后产物——水合硅酸的陈化、缩聚得到，而不是从酸解过程的沉淀物中得到。

现将本发明所涉及的原料冶金水淬渣以及具体的制备方法介绍如下：

1、冶金水淬渣及其理化特性

本发明所涉及的主要制备原料为冶金水淬渣，即炼铁水淬渣或炼铜水淬渣，其主要化学组成为钙、硅、镁、铝的氧化物，它是高温熔渣(T铁水淬渣＞1773K，T铜水淬渣＞1623K)流入冲渣池中水淬，骤然冷却爆裂所得。由于急冷来不及析晶，渣中各氧化物均匀分布，结构基本呈亚稳的非晶态，从而有良好的化学活性，结构极易被酸解、重整。其典型的化学成分见表1、表2：

表1.炼铁水淬渣主要成分

成分       SiO₂    CaO     Al₂O₃   MgO      其它

质量比(％) 34.38    37.89   14.24      10.12    3.37

表2.炼铜水淬渣主要成分

成分        Fe₂O₃  FeO     CaO     Al₂O₃   SiO₂    CuO    其它

质量比(％)  6.23      43.21   1.21    1.38      30.78     4.31   12.88

2、制备方法的具体步骤如下：

(1)定量称取炼铁水淬渣或炼铜水淬渣放入耐酸的反应釜或反应容器中。

(2)配制好确定浓度的硫酸，适宜的硫酸浓度范围：w＝5％～25％。

(3)依据渣的化学组成，按酸与渣反应所需的化学计量关系[见反应(1)]过量1.2～2倍量取硫酸溶液。

(4)将酸溶液在室温下缓缓倒入反应釜中对渣进行酸解，并不断搅拌，过程中由于反应放热，反应体系温度可达70℃以上，通过水浴控制反应温度恒温在70℃左右，让反应持续30～40分钟后静置，若体系再无气泡产生且测定pH值在1以下稳定不变，则认为反应酸解结束，否则适当延长反应时间至反应结束，但整个反应时间控制在1小时内。实际的用酸量由反应终点的pH值决定。

(5)将酸解反应产物过滤去除沉淀物(主要为酸不溶物)，提取上清液(水合硅酸为主的混合溶液)；然后再用NaOH或氨水调整pH值3-7之间某确定值，使溶液中杂质离子生成不溶物沉淀，再分离出上清液，置于容器中陈化约2～5小时，陈化温度范围：70℃-95℃，过程中体系自行进行缩聚反应出现胶状水合二氧化硅聚集粒子。加入浓硫酸搅拌溶解杂质，后加水稀释并搅拌，水加入量以满足体系逐步出现固、液分相为度，则体系逐步出现固、液分相，经分离所得到的固相产物经洗涤到pH值等于6后烘干，可得到工业级品质的水合二氧化硅，分子式为SiO₂·mH₂O，依据不同的水解温度与pH值，m可在1/4到1/10间变动。

如预定将酸解滤液的pH值调整到3以下的某确定值，则按如下步骤进行：将反应产物过滤去除沉淀物(主要为酸不溶物)，提取上清液(水合硅酸为主的混合溶液)，再用NaOH或氨水调整pH值到3以下的确定值，后置于容器中陈化约2～5小时，陈化温度合理范围：70℃-95℃，过程中体系自行进行缩聚反应出现胶状水合二氧化硅聚集粒子，再加适量水并搅拌充分，冷却、静置，经分离所得到的固相物质即为水合二氧化硅。将所得产物去经洗涤到pH值等于6后烘干，可得到工业级品质的水合二氧化硅，分子式为SiO₂·mH₂O，依据不同的水解温度与pH值，m可在1/4到1/10间变动。

需要进一步说明的是，在所研究体系中，硅酸的聚合与水合二氧化硅的生成过程可以在pH＜7的任何确定值下完成，但pH值不同，酸、碱用量与产品的纯度、质量存在差异。

制备过程的主要反应可写为：

     (1)

                           (2)

本方法的优点在于用冶金渣为原料制备水合二氧化硅，不仅成本低，效益明显，而且实现了固体排放物的高附加值利用，同时带来良好的环境与生态效益。

具体实施方式：

实施例1：

提前先配制好15％的硫酸备用。将炼铁水淬渣放入烘箱中于120℃温度下干燥90分钟，出去表面与管道内的吸附水，用分析天平称渣样100g，并倒入1000ml烧杯中，取850毫升预先配置好的15％硫酸溶液缓缓倒入烧杯中与渣反应，并不断用玻璃棒搅拌，不断用水银温度计监测温度变化，待反应体系温度不再上升，将烧杯移至70℃的恒温水浴中继续反应，过程中用pH计观测体系pH值变化，反应进行40分钟时暂停搅拌并静置观察(此时体系pH值在1以下并基本稳定)，如体系内已经没有明显气泡产生，则酸解过程结束。

将反应产物进行抽滤并用80毫升蒸馏水洗涤滤饼3次，将滤出液倒入另一干净1000毫升烧杯中，再用NaOH或氨水将pH值调整到3，将该烧杯放入95℃的恒温水浴中陈化5小时，此时体系内硅酸已经聚合胶凝。取出烧杯，将300毫升蒸馏水倒入烧杯中并充分搅拌后静置、冷却到室温，过滤，用蒸馏水反复洗滤饼至pH值等于6，将滤饼烘干、研磨即得到最终产品水合二氧化硅SiO₂·mH₂O。

实施例2：

提前配制好10％的硫酸备用。将炼铜水淬渣放入烘箱中于120℃温度下干燥90分钟，出去表面与管道内的吸附水，用分析天平称渣样50g，并倒入1500ml烧杯中，取1200毫升预先配置好的10％硫酸溶液缓缓倒入烧杯中与渣反应，并不断用玻璃棒搅拌，用水银温度计监测温度变化，待反应体系温度不再上升，将烧杯移至70℃的恒温水浴中继续反应，过程中用pH计观测体系pH值变化，反应进行35分钟时暂停搅拌并静置观察(此时体系pH＜1且基本恒定)，如体系内已经没有明显气泡产生，则酸解过程结束。将反应产物进行抽滤并用100毫升蒸馏水洗涤滤饼3次，将滤出液倒入另一干净1500毫升烧杯中，再用NaOH或氨水将pH值调整到5.5后过滤，将装滤液的烧杯放入95℃的恒温水浴中陈化2小时，取出烧杯冷却至60℃左右，向陈化后的体系中缓慢加入浓硫酸，待体系中液体的颜色变为浅绿色、沉淀物完全为白色时，停止加入。静置一段时间待白色物聚在一起沉淀在烧杯底部，上部为澄清液体时，进行抽滤。抽滤过程中不断加入蒸馏水反复漂洗滤饼至pH值等于6后，将滤饼烘干、研磨即得到最终产品水合二氧化硅SiO₂·mH₂O。

Claims (3)

1、一种水合二氧化硅的制备方法，其特征在于以冶金水淬渣为原料，将原料用硫酸酸解，并分离得到水合硅酸混合溶液，该混合溶液经调整pH值、除杂、陈化后，混合溶液内水合硅酸进行缩聚反应，再经分离、洗涤、烘干制得水合二氧化硅。

2、如权利要求1所述的一种水合二氧化硅的制备方法，其特征在于该方法由下列步骤组成：

(1)定量称取冶金水淬渣放入耐酸的反应釜或反应容器中；

(2)配制适宜浓度：w＝5％～25％的硫酸，并依据冶金水淬渣的化学组成，按硫酸与冶金水淬渣反应所需的化学计量关系过量1.2～2倍量取硫酸溶液；

(3)将硫酸溶液在室温下缓缓倒入反应釜中并不断搅拌，控制反应温度在70℃左右，反应持续30～40分钟后静置约20分钟，若体系再无气泡产生且测pH值在1以下稳定不变，则认为酸解反应结束，否则适当延长反应时间至反应结束，但总反应时间应控制在1小时之内；

(4)将酸解反应产物过滤去除沉淀物，提取上清液，用NaOH或氨水调整pH值在3-7之间，使溶液中杂质离子生成不溶物沉淀，然后分离出上清液置于容器中陈化约2～5小时，陈化温度70-95℃，加入浓硫酸搅拌溶解杂质，后加水稀释并搅拌，水加入量以满足体系逐步出现固、液分相为度，经分离后所得的固相产物经洗涤到pH值等于6后烘干，得到终极产物水合二氧化硅；

如预定将酸解滤液的pH值调整在3以下的确定值，则该步骤按如下进行：将酸解后的反应产物过滤去除沉淀物，提取上清液用NaOH或氨水调整pH值到3以下的某确定值，后置于容器中陈化约2～5小时，陈化温度70-95℃，加适量水并搅拌充分，冷却、静置，经分离后的固相产物经洗涤到pH＝6后烘干，得到终极产物水合二氧化硅。

3、如权利要求1所述的一种水合二氧化硅的制备方法，其特征在于冶金水淬渣是炼铁水淬渣或炼铜水淬渣。