从制备光纤预制棒产生的废料中回收白炭黑*

陈　炎，石从云，钱　凡，强　敏，柯昌美，余高奇，宋树波，冯泽宇，尹　鹏（.武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北武汉43008；.武汉泽元化工材料有限公司）

从制备光纤预制棒产生的废料中回收白炭黑*

陈炎1，石从云1，钱凡1，强敏1，柯昌美1，余高奇1，宋树波1，冯泽宇1，尹鹏2
（1.武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北武汉430081；2.武汉泽元化工材料有限公司）

为了从制备光纤预制棒产生的废料中提取得到白炭黑，采用烘干、研磨、煅烧、酸处理、水洗等手段对废料进行无害化处理，除去杂质部分，使超细二氧化硅颗粒再生出来。重点探究了最佳的煅烧条件，通过对不同煅烧条件下产品的失重分析以及杂质（Fe元素）含量、产品粒径分布等分析，得出了最佳的煅烧温度为500℃，煅烧时间大约为1 h。所得产品的质量技术参数基本达到或接近国家标准。

光棒废料；煅烧；白炭黑

制备预制棒是光纤制造的最重要的一环，占光纤生产利润的70%［1-4］，但气相沉积法生产光纤预制棒的过程中会产生大量的废料，估计中国每年产生废料约0.7万～1.1万t。该废料是预制棒制备过程中产生的大量废弃的超细二氧化硅颗粒经旋风分离、喷水、加无机和有机高分子絮凝剂、沉降、过滤等步骤所得，含有无机物和有机絮凝剂等杂质，但其主要成分是有价值的多孔二氧化硅小颗粒。目前处理这些废料的方法是填埋［5］，造成了资源浪费，提高了光纤生产的成本，也给环境带来极大的危害。本研究对废料进行无害化处理使超细二氧化硅颗粒再生出来，变为具有市场价值的白炭黑。

1　实验部分

1.1实验试剂与仪器

实验试剂：光纤预制棒湿废料；浓盐酸（优级纯）。

实验仪器：电热鼓风干燥箱（101-2A型）；马弗炉（SRJX 4-9）；离心机（LD-3）；振动磨（ZM100）；激光粒度分析仪（Mastersizer 2000）；IRIS Advantage全谱直读等离子体发射光谱仪（ICP-AES）。

1.2实验步骤

以藤仓烽火光电材料科技有限公司生产光纤预制棒过程中产生的湿废料为原料，将湿废料烘干至含水量为5%左右，把块状干料破碎成蚕豆大小后，使用振动磨将废料研磨成粉体，把研磨好的粉体用马弗炉进行煅烧，取煅烧好的废料20.00 g置于三口烧瓶中，加入质量分数为20%的100 mL盐酸振荡摇匀，在90℃下反应（酸处理）2 h。将冷却后的样品离心分离，用自来水洗涤3次。洗涤后的样品在烘箱中80℃烘干即为产品白炭黑。

此过程中烘干、破碎和研磨的目的是把块状湿废料变为粉末状样品，以便于煅烧；煅烧的目的是除去有机高分子絮凝剂；酸处理的目的是除去无机高分子絮凝剂聚铁和聚铝等，以及除去无机高分子絮凝剂在煅烧过程中高温分解生成的三氧化二铁和三氧化二铝；水洗是为了进一步洗掉溶于水的无机离子杂质。煅烧是该工艺路线的关键步骤，因为若温度低、时间短，则有机絮凝剂不能彻底除掉，也影响酸处理步骤中无机盐的去除；若温度太高、时间长，不但使二氧化硅颗粒团聚、粒径变大，而且生成的三氧化二铁及硫酸铁和氯化钠等无机盐会包裹在二氧化硅的团聚体里面，使这些无机物杂质很难去除。故而笔者重点研究煅烧条件。

2　结果与讨论

2.1从废料中提取白炭黑工艺研究

2.1.1煅烧阶段前进行烘干和研磨预处理

实验时先将出厂湿废料放置于室内，温度大约为20℃，一周后放置在鼓风干燥箱中于110℃下，分别烘干24、36、48 h，发现24 h即可脱水至含水量为5%左右。

将烘干好的块状干料破碎成蚕豆大小后，使用振动磨研磨，发现研磨两次即可使试样变成很细的粉末。

2.1.2最佳煅烧温度和煅烧时间的确定

通过对煅烧后的样品进行失重分析以及对煅烧并酸处理后的样品进行铁元素含量测定和样品粒径分析，找到最佳的煅烧温度和煅烧时间。

1）样品煅烧后失重和外观分析。通过前期的探索发现，煅烧温度为400℃，时间为1 h或以上，对样品进行酸处理时发现样品中有白色粘稠状物质，酸处理难以进行，估计该粘稠状物质为有机絮凝剂，400℃不能使有机物烧干净。而酸处理500℃以上煅烧的样品时不会出现这一现象，因而把煅烧温度分别设定为500、600、700、800、900、1 000℃，煅烧时间分别为1、2、4、8、12 h。将20.00 g的废料置于马弗炉中于不同的煅烧温度、时间进行煅烧，观察煅烧现象并进行失重分析。表1为不同煅烧温度、不同煅烧时间的样品失重。

表1　不同煅烧温度、不同煅烧时间样品失重

由表1可知，煅烧温度一定，不同煅烧时间对失重基本上没有影响，而且不同煅烧时间的样品外观没有明显差别，表明煅烧1 h时有机物很可能完全被去除。从500℃到1 000℃煅烧，样品失重略有增加，很可能是由于颗粒表面失去羟基，而且不同温度煅烧的产品外观不同，700℃以上样品有少量团聚现象，800℃团聚现象很明显，900℃以上团聚现象严重。因而较佳的煅烧温度为500～600℃。

2）在不同温度下煅烧的样品经酸处理后杂质Fe的含量。将煅烧温度分别为500、600、700、800、900、1 000℃，煅烧时间为1 h的样品进行酸处理、水洗且烘干，分别检测铁元素的含量，结果见表2。

表2　不同温度下煅烧1 h并进行酸处理、烘干后的样品的铁含量

从表2数据可知，随着煅烧温度的提高，样品的铁含量升高。这可能是因为煅烧温度高使样品团聚，导致铁杂质等包裹在二氧化硅颗粒里。其中500℃煅烧、酸处理后铁的质量分数为0.004 3%，接近GB/ T 20020—2005中 B类气相法白炭黑的标准（≤0.003%）。故合适的煅烧温度为500℃。

3）产品粒径分析。将煅烧温度分别为500、600、700℃，煅烧时间为1 h的样品经酸处理后进行粒径分布测定，结果见表3。

表3　原料及不同温度下煅烧1 h的样品的粒径分布

由表3可知，4个样品的D 0.1、D 0.5都比较接近，但D 0.9随煅烧温度的升高而增大，500℃下煅烧的白炭黑产品的D 0.9与原料的值最为接近。故而最佳的煅烧温度为500℃、煅烧时间大约为1 h。

2.2产品质量参数与气相法白炭黑质量参数比较

把煅烧温度为500℃、煅烧时间为1 h，且经酸处理、水洗、烘干的样品的质量参数与气相法白炭黑（B类）国家标准作比较，结果列于表4。由表4可知，从废料中回收得到的白炭黑质量参数基本达到B类气相白炭黑国家标准。

表4　最佳煅烧条件下所得样品质量参数与气相法白炭黑（B类）国标比较

3　结论

将生产光纤预制棒过程中产生的湿废料烘干、破碎、研磨后，在500℃下煅烧1 h，然后经酸处理、水洗、烘干后得到的白炭黑产品基本符合B类气相白炭黑国家标准。

［1］熊向峰.中国光纤光缆产业的发展趋势探讨［J］.中国新通信，2010，12（9）：5-9.

［2］烽火通信冲击全球光棒第一产业阵营［J］.电信技术，2011（8）：35.

［3］杜云刚，李继军，柴俊霖.关于光纤预制棒国产化的思考［J］.科技信息，2012（2）：48-49.

［4］耿皓.中国光纤光缆产业发展趋势探讨［J］.无线互联科技，2010（2）：67-69.

［5］李志石.中天科技触发我国光纤预制棒应用前景裂变［J］.通信世界，2011（18）：41.

联系方式：240585259@qq.com

Recycling of white carbon black from waste generated from preparation of optical fiber preforms

Chen Yan1，Shi Congyun1，Qian Fan1，Qiang Min1，Ke Changmei1，Yu Gaoqi1，Song Shubo1，Feng Zeyu1，Yin Peng2
（1.School of Chemical Engineering and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Wuhan Zeyuan Chemical Material Co.，Ltd.）

In order to recycle white carbon black from the waste generated from the preparation of optical fiber preforms，impurities in the waste were removed by drying，grinding，calcination，acid treatment，washing，and other harmless treatments to regenerate the ultrafine silicon dioxide particles.The optimum calcination conditions were explored especially.Through the analysis of weight loss，the content of the impurity element（Fe），the product particle size distribution under the different calcination conditions，a conclusion was drawn that the best calcination temperature was 500℃and the best calcination time was about 1 h.The quality parameters of the product reached or were close to the national standards.

optical fiber preform waste；calcination；white carbon black

TQ127.2

A

1006-4990（2016）04-0061-02

湖北省大学生创新创业训练计划项目（201410488032）；煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室开放基金（WKDM201306）；武汉泽元化工材料有限公司资助项目。

2015-10-10

陈炎（1993—），男，研究生在读，研究方向是光功能材料，已发表1篇文章，获得专利1项。