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一文了解工业固废制备二氧化硅功能材料技术及特点,360资讯网,ChinaNews360.com
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一文了解工业固废制备二氧化硅功能材料技术及特点
2021年07月14日    阅读量:2045    新闻来源:360资讯网 ChinaNews360.com  |  投稿

电炉黄磷渣、钢铁及有色金属冶炼过程产生的炉渣、建材及电力行业产生的粉煤灰等是常见的大宗固体废弃物,这些废弃物中皆富含二氧化硅,且二氧化硅主要以硅酸盐、晶态二氧化硅和非晶态二氧化硅等形式存在。


根据固体废弃物产生的渠道和生产方式不同,也会含有其他不同的矿物相组分,有时也会存在稀土元素、氧化铝及其他高价值的有色金属元素。将固体废物中的稀土金属及氧化铝等高值有价元素分离提取后,可以制备白炭黑、二氧化硅气凝胶,也可以同时利用固体废弃物中的二氧化硅和氧化铝制备沸石涂料在线coatingol.com


1、固废制备白炭黑


白炭黑是一种白色无定形纳米二氧化硅物质,具有优异的孔隙率、高分散性、热稳定性和良好的电绝缘性,常被用于制备催化剂、橡胶增强剂、触变剂、热绝缘体和复合材料,是橡胶、化工、电子、医药等行业提高产品质量的“工业味精”。


目前,利用固废制备白炭黑主要采用沉淀法工艺,该工艺可细分为酸溶法和碱熔(溶)法。酸溶法利用固废与盐酸或硝酸混合,使固废中的Fe2O3、Al2O3、稀土金属或硅酸盐等转化为易溶解的氯化物及SiO2沉淀,从而将固废中的稀土等有价金属元素或铁、铝等杂质元素转移至液相,富集二氧化硅的滤饼经酸洗除去铁、炭等杂质,然后通过干燥及煅烧得到白炭黑产品。


碱熔(溶)法利用固废与碱在熔融或者水溶液中发生反应制得水玻璃,然后通入CO2或者与盐酸或硫酸溶液反应,使二氧化硅以絮状形式沉淀出来,经过滤、清洗、干燥后得到白炭黑产品。


粉煤灰中除含有二氧化硅外,还含有价值较高的三氧化二铝,利用其制备白炭黑前往往先提取其中的Al2O3,或者高效利用Al2O3前也需首先将其中的SiO2除去。一般采用石灰石烧结法或者碱石灰烧结法工艺,将粉煤灰与助熔剂(碳酸钠或碳酸钙)混合后进行高温(1100~1400℃)焙烧,将石英和莫来石中的晶态二氧化硅以及非晶态的二氧化硅转化为不溶于浸出剂的2CaO·SiO2,而莫来石中的氧化铝转化为易溶于浸出剂(碳酸钠)的12CaO·7Al2O3;焙烧产物浸出后氧化铝等成分进入液相,进一步回收Al2O3,而二氧化硅则富集于渣相,经酸浸除杂、洗涤净化后制备白炭黑。也可将粉煤灰与碳酸钠按一定比例混合,在中等温度下煅烧一段时间,然后利用酸溶解硅铝混合的焙烧产物,最后用酸使二氧化硅逐渐沉淀进行回收。


综上,酸溶法主要针对含有酸溶性金属氧化物的杂质或者价值较高的稀土氧化物中富含二氧化硅的固废制备白炭黑,酸溶的目的有两个方面:(1)分离提取高价值元素及除杂,(2)二氧化硅提纯与富集。碱熔(溶)法主要应用于富含三氧化二铝的固废,制备白炭黑前首先提取价值高的三氧化二铝。利用碱熔(溶)法从粉煤灰中提取三氧化二铝及制备白炭黑的工艺已产业化,并取得良好的环境效益、经济效益和社会效益。


2、固废制备二氧化硅气凝胶


二氧化硅气凝胶由于具有较大的比表面积、大孔容、低体积密度和低导热系数等特点,可以应用在催化剂、透明隔热材料、薄膜、射电发光器件、药物释放系统等领域。一般采用溶胶-凝胶法工艺,经合成、老化和干燥三个步骤将固废中的二氧化硅制备成气凝胶材料。


利用固废制备二氧化硅气凝胶时,首先将固废与碱发生反应制得不同模数的水玻璃,然后向水玻璃中加酸溶液使其直接凝胶化,或是水玻璃经过阳离子交换树脂后制得硅酸凝胶。老化阶段即处理形成的凝胶孔隙的水分,这个过程在室温下持续几个小时或几天,或在50~60℃下进行,这样可以显著缩短这一阶段的时间。


凝胶的老化过程通常使用甲醇、乙醇等分子类醇来进行,当使用更高的醇类同系物(如正丙醇、正丁醇、异丁醇或正戊醇)时,合成的气凝胶拥有更好的参数。干燥阶段常采用超临界干燥或者常压干燥工艺,超临界干燥过程可以避免毛细应力和随之而来的干燥收缩,从而制得保持湿凝胶原有形状和结构的气凝胶。但由于高温高压的苛刻条件和有机溶剂的易燃性,超临界干燥具有很大的危险性,实践中采用常压干燥的方法,常压干燥设备简单、便宜,具有更广阔的前景。


3、固废制备沸石


沸石由于其多孔结构,可以容纳多种阳离子,具有吸附、离子交换和催化等一种或多种性质,被广泛用于以下方面:

(1)分离提纯过程中的工业吸附剂;

(2)制备先进材料的催化剂;

(3)膜材料和膜加工的添加剂;

(4)离子交换材料;

(5)化学传感器等。


沸石一般是由氧化铝源、硅源形成的铝硅酸盐凝胶经水热处理合成的,但由于氧化铝源、氧化硅源合成沸石的成本较高,从固废中寻找合成沸石的廉价材料成为研究热点。常用的工业固废种类较多,譬如粉煤灰、锂渣、废金属渣和冲天炉炉渣等。


利用固废合成沸石的方法主要有两种:一种方法是传统的合成方法,即固废碱熔后水热合成;另一种方法是微波或超声波辅助合成新工艺。传统合成方法就是对能提供二氧化硅和氧化铝的固废进行碱熔处理,再进行水热合成。碱熔处理是指使用碳酸钠或者氢氧化钠作为活化剂,使固废中的氧化铝和氧化硅分解、转化为可溶性的硅酸钠和铝酸钠,然后在水热合成条件下制备沸石。


水热合成过程可以分为三步:固废中Si4+和Al3+在碱溶液中的溶解;溶解的硅酸盐离子和铝酸盐离子在碱溶液中反应形成铝硅酸盐凝胶;铝硅酸盐凝胶结晶形成沸石晶体。利用微波和超声辐射催化强化化学反应的特性,在固废制备沸石工艺过程中引入微波或超声波辅助合成技术,即利用微波或超声波辐射催化碱熔工艺时,可以显著降低沸石合成的时间与能耗,并提高了沸石的结晶度。


标签:原材料辅料与设备技术中心涂料设备
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