酸法制備白炭黑水合二氧化硅及其成分分析

酸法制備白炭黑水合二氧化硅及其成分分析

白炭黑也被稱為水合二氧化硅。由于其結(jié)構(gòu)上的羥基易于與有機(jī)化合物結(jié)合，因此已廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、造紙、油漆、日用化工等行業(yè)。白炭黑的傳統(tǒng)制備方法分“氣相法”與“沉淀法”，但均以市售的化工產(chǎn)品為原料，成本高。本研究以粉煤灰為原料，經(jīng)激活、酸浸等一系列工藝，成功制備出較高純度的水合二氧化硅，為粉煤灰的綜合利用初步探索了一條新途徑。1實(shí)驗(yàn)部分1.1主要設(shè)備，如原料：馬鞍山市一電廠的粉煤灰，其成分見(jiàn)表1。主要藥品：鹽酸（化學(xué)純）,氫氧化鈉（化學(xué)純）,氫氟酸（分析純）儀器設(shè)備：TG-328B分析天平，TCW-32B熱天平，HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋，SX2-5-12馬弗爐、101-1-BS烘箱，抽濾裝置，鉑坩堝。1.2水合二氧化碳的制備方法酸法水合二氧化硅的制備過(guò)程主要是原料酸解與硅酸的縮聚過(guò)程，制備中所用的粉煤灰含SiO2為51.1%，其結(jié)構(gòu)主體形態(tài)為富鋁玻璃體3Al2O3·SiO2。樣品中Al3+、Ca2+等雜質(zhì)離子囿于SiO2三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的籠中，酸方法難以將其浸出，所以須先破壞---Si-O-的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將其“激活”。本研究采用強(qiáng)堿NaOH為激活劑，在OH-的作用下，粉煤灰顆粒出現(xiàn)Si—O鍵斷裂，網(wǎng)絡(luò)聚合體的聚合度降低，表面形成不飽和的活性鍵，再加入鹽酸酸浸，形成硅溶膠，在一定溫度和pH值下，經(jīng)一系列處理即可得到水合二氧化硅產(chǎn)品。硅溶膠的聚合過(guò)程為：1.3實(shí)驗(yàn)部分1.3.1硅酸溶液的制備稱量15g粉煤灰與15g氫氧化鈉，混合均勻后放在馬弗爐中，灼燒至550℃并保溫1個(gè)小時(shí)，冷卻到室溫后放入200ml的燒杯中，加入體積比為1∶1的鹽酸溶解，并用玻璃棒不斷攪拌，以便反應(yīng)生成的氣體逸出，控制反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)完全后濾去酸不溶物，取上清液（主要為硅酸與Ca2+、Al3+、Mg2+、Cl-等的混合物）陳化24小時(shí)，此間濾液中的硅酸經(jīng)縮聚出現(xiàn)固、液分相，并生成水合二氧化硅，再經(jīng)過(guò)濾分離，將濾餅中雜質(zhì)離子洗凈后置于80℃的干燥箱中干燥，即得樣品。1.3.2樣品的性能1.3.2.純度3g/g測(cè)定為了表征樣品中二氧化硅的含量，實(shí)驗(yàn)中用氫氟酸揮發(fā)重量差減法進(jìn)行樣品中二氧化硅的純度測(cè)定，反應(yīng)式為：4HF+SiO2·nH2O=SiF4+（n+2)H2O，樣品的純度為（G1-G2）×100%/G，其中G1表示氫氟酸溶解前樣品與鉑坩堝的重量，G2表示氫氟酸溶解后殘?jiān)c鉑坩堝的重量，G表示所用樣品的重量。單位：g。1.3.2.熱失重測(cè)定熱失重分析的目的是測(cè)定樣品中吸附水與結(jié)構(gòu)水的含量。用分析天平稱量一定量樣品，放入鉑坩堝中。在熱天平上進(jìn)行熱失重測(cè)定，程序自動(dòng)升溫，在25～120℃時(shí)，升溫速度4℃/min,120～400℃時(shí)升溫速度7℃/min,400～600℃時(shí)升溫速度4℃/min。在加熱過(guò)程中記錄溫度變化時(shí)鉑坩堝與樣品的重量。2結(jié)果與討論2.1樣品化學(xué)成分分析實(shí)驗(yàn)中所取樣品G為1.9365g,G1為6.5075g,G2為4.6519g，所以樣品中SiO2·nH2O的含量為2.2結(jié)構(gòu)水失重率和sio實(shí)驗(yàn)中所用樣品的重量為0.4626g，鉑坩堝重4.7581g。以鉑坩堝和樣品的重量m為縱坐標(biāo)，溫度t為橫坐標(biāo)，測(cè)定的熱失重曲線見(jiàn)圖1。由熱失重曲線圖可以明顯看出有兩次失重。在約80℃時(shí)開(kāi)始第一次失重，可認(rèn)為是失去樣品中的吸附水，失重率為3.39%；在450℃左右再次出現(xiàn)明顯失重，認(rèn)為是失去樣品中的結(jié)構(gòu)水，失重率為4.12%。所以扣除結(jié)合水和吸附水后樣品中SiO2純度為91.7%，并且可推算出水合二氧化硅的化學(xué)式。令其化學(xué)式為SiO2·nH2O故水合二氧化硅的化學(xué)式為SiO2·1/7H2O，扣除4.12%的結(jié)構(gòu)水后樣品中SiO2純度為91.7%。由此得出所制備得樣品即為水合二氧化硅，其純度標(biāo)準(zhǔn)符合HG/T3601。3粉煤灰的綜合利用以粉煤灰為原料，采用本方法制備水合二氧化硅是可行的，并且工藝簡(jiǎn)單，操作方便，即