白炭黑制备工艺条件对其脱水性能的影响

2015-12-31刘艳玲刘奋照

山西化工 2015年1期

王玲，刘艳玲，2，刘奋照

（1.吕梁学院化学化工系，山西吕梁 033000；2.森泽鑫富斓合资公司技术中心，山西柳林 033300）

引言

煤矸石是采煤和洗煤过程中产生的、与煤层伴生的各种含碳量低、坚硬的黑色石块废料，约占煤炭产量的15%～20%，是我国排放量最大的工业废渣，占全国工业固体废弃物的40%。煤矸石在矿区堆放，既占用大量土地，又直接造成当地水质和空气的严重污染等各种生态和环境问题，已成为我国的一大公害。

近年来，煤矸石已不再被视为一种工业废弃物。随着科技的发展，各种煤矸石利用途径和技术方法应运而生。作为一种资源，它在化工、冶金、建材、轻工等领域得到了广泛的研究和应用。煤矸石资源化已成为煤矸石综合利用研究的焦点，并在实际生产中取得了较好的经济效益和社会效益［1-4］。

煤矸石的化学组成除C外，一般以氧化物为主，如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O等。其中，SiO2和Al2O3占较大比例。由于煤矸石中还有大量矿物质，因此可以通过不同方法提炼回收各种化工产品原料，如氧化铝、白炭黑（学名为水合无定性二氧化硅）［5］。

利用煤矸石制备白炭黑的主要工艺流程为：煤矸石→粉粹→酸溶→过滤→尾渣（酸浸渣）→碱溶→过滤→碳分→过滤→洗涤→烘干→白炭黑。其中，烘干的目的就是在高温下脱去白炭黑表面的附着水。在实际生产过程中，由于所制得的白炭黑内部存在聚硅氧键，外表面存在活性硅醇基和吸附水，使其呈亲水性［6］，水分不易脱去，致使制备中烘干能耗大、效率低，而且白炭黑成品的含水率高，直接制约着白炭黑的产能和质量。因此，应采取措施使含水率达到最低限度，以降低烘干工序的能量消耗。本文作者前期已经在此方向作了部分研究，主要是通过加入脱水剂来降低白炭黑的含水量。研究结果表明，脱水剂的使用具有较好的脱水效率，可以降低能耗，提高质量。但加入脱水剂也有一定的弊端，这是由于，脱水剂大部分由有机溶剂构成，很难在最后的洗涤工序中去除，从而影响白炭黑的纯度；而且脱水剂本身需要一定的成本，使白炭黑的生产成本有所增加。本文将在不加脱水剂的情况下，考察白炭黑制备工艺条件对白炭黑脱水性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验仪器

DC1006低温恒温水浴锅；GZX-9246MBE电热鼓风干燥箱；JJ-1型增力电动搅拌器；SHB-Ⅲ型循环水式多用真空泵；LS603型激光粒度分析仪；电子天平。

1.2 实验原料

本文选取利用煤矸石制备氧化铝后得到的酸浸渣为原料，制备白炭黑。酸浸渣的主要成分如表1所示。

表1 酸浸渣的主要成分

1.3 实验方法

取一定量的制备过氧化铝的煤矸石酸浸渣，放入98℃～100℃的水浴锅中，在搅拌状态下反应2h，待固液分离后过滤得到滤液。向滤液中继续加入酸浸渣进行碱溶反应，直至得到的水玻璃滤液模数为3左右。取400mL水玻璃滤液若干份，在不同工艺条件下碳分，每个样品从溶液开始变白时计时，碳分10min。考察通气速度、CO2质量分数、后处理工艺对白炭黑脱水时间和含水率的影响。

碳分后，将白炭黑浆液摇匀后倒入漏斗，真空抽滤4min，真空度约为0.025。过滤后，用热水洗涤，迅速取下漏斗，吹出滤饼，称湿重。然后，放入烘箱，在105℃～110℃下烘至恒重（烘干时间为2h），称干重。最后，计算含水率。

2 结果与讨论

按1.3实验方法对白炭黑进行脱水实验，并分别测定其含水率及脱水效率，测定结果见表2、表3和表4。

1）混合气体通气速度为1.5L/min时，CO2质量分数对白炭黑含水率的影响。

表2 不同CO2质量分数下白炭黑的脱水时间及含水率

由表2可知，在气体总流量一定的情况下，随着CO2质量分数的增加，白炭黑的粒度逐渐增大，脱水时间逐渐减小，但含水率先减小后增大。由实验现象结合测得的数据可知，随着粒度的增加，白炭黑由凝乳状的凝胶转变为絮状沉淀，脱水时间大大减小，脱水性能有所改善。

2）CO2质量分数为66.7%时，混合气体通气速度的变化对含水率的影响。

由表3可知，在CO2比例一定的情况下，增加气体的总通气速度，白炭黑粒度逐渐增大。此时，脱水时间都很短，均在3min左右，含水率也是先减小后增大。说明通气速度对白炭黑的脱水时间影响不大，粒度达到一定大小后，白炭黑的状态均为颗粒较大的沉淀状，易于过滤，故脱水时间都很短。

表3 不同通气速度下白炭黑的脱水时间及含水率

3）不同后处理工艺对含水率的影响。

陈化：将制备好的白炭黑浆液放置15h。

搅拌：利用增力电动搅拌器将陈化后的白炭黑浆液搅拌10min。

表4 不同后处理工艺对白炭黑脱水时间的影响

由表4可知，陈化可以大大地增加脱水时间，这是因为陈化改变了白炭黑的状态。实验中发现，陈化后白炭黑由疏松的絮状变为凝乳状，很难过滤，过滤时间约60min。由测量结果看出，陈化后白炭黑粒度减小，从而影响了过滤性能。但是，如果在陈化后搅拌数分钟，发现白炭黑又变为絮状沉淀，脱水时间大大减小，约为10min。

综上所述，粒度的大小对白炭黑过滤的时间有很大的影响，增加粒度虽然不能有效地降低含水率，但是可以大大缩短白炭黑的过滤时间，从而降低过滤工序的能耗。而陈化会增加过滤时间，因为陈化过程使得白炭黑变为粒度较低的凝胶，脱水性能下降，不利于过滤。但陈化后适当搅拌可以使粒度较小的凝乳状白炭黑转变为絮状，有效缩短过滤时间。因此，我们可以通过控制工艺条件，生成粒度较大、形态为絮状的白炭黑，避免生成凝乳状的白炭黑沉淀，以免过滤时间较长。在洗涤中也应适当搅拌，使其利于过滤。

实验过程中，我们还发现：

1）洗水温度对白炭黑过滤时间和脱水效率影响都不大。

2）浓度较低的白炭黑浆液过滤时间短，但过滤后含水率较高。

3）洗涤过程中白炭黑转变为凝乳状，难以过滤，可适当加以搅拌。