白炭黑制備工藝條件對其脫水性能的影響

王 玲， 劉艷玲，2， 劉奮照

（1.呂梁學(xué)院化學(xué)化工系，山西 呂梁 033000；2.森澤鑫富斕合資公司技術(shù)中心，山西 柳林 033300）

引 言

煤矸石是采煤和洗煤過程中產(chǎn)生的、與煤層伴生的各種含碳量低、堅硬的黑色石塊廢料，約占煤炭產(chǎn)量的15%～20%，是我國排放量最大的工業(yè)廢渣，占全國工業(yè)固體廢棄物的40%。煤矸石在礦區(qū)堆放，既占用大量土地，又直接造成當(dāng)?shù)厮|(zhì)和空氣的嚴(yán)重污染等各種生態(tài)和環(huán)境問題，已成為我國的一大公害。

近年來，煤矸石已不再被視為一種工業(yè)廢棄物。隨著科技的發(fā)展，各種煤矸石利用途徑和技術(shù)方法應(yīng)運而生。作為一種資源，它在化工、冶金、建材、輕工等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。煤矸石資源化已成為煤矸石綜合利用研究的焦點，并在實際生產(chǎn)中取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益［1-4］。

煤矸石的化學(xué)組成除C外，一般以氧化物為主，如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O等。其中，SiO2和Al2O3占較大比例。由于煤矸石中還有大量礦物質(zhì)，因此可以通過不同方法提煉回收各種化工產(chǎn)品原料，如氧化鋁、白炭黑（學(xué)名為水合無定性二氧化硅）［5］。

利用煤矸石制備白炭黑的主要工藝流程為：煤矸石→粉粹→酸溶→過濾→尾渣（酸浸渣）→堿溶→過濾→碳分→過濾→洗滌→烘干→白炭黑。其中，烘干的目的就是在高溫下脫去白炭黑表面的附著水。在實際生產(chǎn)過程中，由于所制得的白炭黑內(nèi)部存在聚硅氧鍵，外表面存在活性硅醇基和吸附水，使其呈親水性［6］，水分不易脫去，致使制備中烘干能耗大、效率低，而且白炭黑成品的含水率高，直接制約著白炭黑的產(chǎn)能和質(zhì)量。因此，應(yīng)采取措施使含水率達(dá)到最低限度，以降低烘干工序的能量消耗。本文作者前期已經(jīng)在此方向作了部分研究，主要是通過加入脫水劑來降低白炭黑的含水量。研究結(jié)果表明，脫水劑的使用具有較好的脫水效率，可以降低能耗，提高質(zhì)量。但加入脫水劑也有一定的弊端，這是由于，脫水劑大部分由有機溶劑構(gòu)成，很難在最后的洗滌工序中去除，從而影響白炭黑的純度；而且脫水劑本身需要一定的成本，使白炭黑的生產(chǎn)成本有所增加。本文將在不加脫水劑的情況下，考察白炭黑制備工藝條件對白炭黑脫水性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

DC1006低溫恒溫水浴鍋；GZX-9246MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱；JJ-1型增力電動攪拌器；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵；LS603型激光粒度分析儀；電子天平。

1.2 實驗原料

本文選取利用煤矸石制備氧化鋁后得到的酸浸渣為原料，制備白炭黑。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 實驗方法

取一定量的制備過氧化鋁的煤矸石酸浸渣，放入98℃～100℃的水浴鍋中，在攪拌狀態(tài)下反應(yīng)2h，待固液分離后過濾得到濾液。向濾液中繼續(xù)加入酸浸渣進行堿溶反應(yīng)，直至得到的水玻璃濾液模數(shù)為3左右。取400mL水玻璃濾液若干份，在不同工藝條件下碳分，每個樣品從溶液開始變白時計時，碳分10min?？疾焱馑俣?、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、后處理工藝對白炭黑脫水時間和含水率的影響。

碳分后，將白炭黑漿液搖勻后倒入漏斗，真空抽濾4min，真空度約為0.025。過濾后，用熱水洗滌，迅速取下漏斗，吹出濾餅，稱濕重。然后，放入烘箱，在105℃～110℃下烘至恒重（烘干時間為2h），稱干重。最后，計算含水率。

2 結(jié)果與討論

按1.3實驗方法對白炭黑進行脫水實驗，并分別測定其含水率及脫水效率，測定結(jié)果見表2、表3和表4。

1）混合氣體通氣速度為1.5L/min時，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對白炭黑含水率的影響。

表2 不同CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下白炭黑的脫水時間及含水率

由表2可知，在氣體總流量一定的情況下，隨著CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，白炭黑的粒度逐漸增大，脫水時間逐漸減小，但含水率先減小后增大。由實驗現(xiàn)象結(jié)合測得的數(shù)據(jù)可知，隨著粒度的增加，白炭黑由凝乳狀的凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)樾鯛畛恋?，脫水時間大大減小，脫水性能有所改善。

2）CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66.7%時，混合氣體通氣速度的變化對含水率的影響。

由表3可知，在CO2比例一定的情況下，增加氣體的總通氣速度，白炭黑粒度逐漸增大。此時，脫水時間都很短，均在3min左右，含水率也是先減小后增大。說明通氣速度對白炭黑的脫水時間影響不大，粒度達(dá)到一定大小后，白炭黑的狀態(tài)均為顆粒較大的沉淀狀，易于過濾，故脫水時間都很短。

表3 不同通氣速度下白炭黑的脫水時間及含水率

3）不同后處理工藝對含水率的影響。

陳化：將制備好的白炭黑漿液放置15h。

攪拌：利用增力電動攪拌器將陳化后的白炭黑漿液攪拌10min。

表4 不同后處理工藝對白炭黑脫水時間的影響

由表4可知，陳化可以大大地增加脫水時間，這是因為陳化改變了白炭黑的狀態(tài)。實驗中發(fā)現(xiàn)，陳化后白炭黑由疏松的絮狀變?yōu)槟闋?，很難過濾，過濾時間約60min。由測量結(jié)果看出，陳化后白炭黑粒度減小，從而影響了過濾性能。但是，如果在陳化后攪拌數(shù)分鐘，發(fā)現(xiàn)白炭黑又變?yōu)樾鯛畛恋?，脫水時間大大減小，約為10min。

綜上所述，粒度的大小對白炭黑過濾的時間有很大的影響，增加粒度雖然不能有效地降低含水率，但是可以大大縮短白炭黑的過濾時間，從而降低過濾工序的能耗。而陳化會增加過濾時間，因為陳化過程使得白炭黑變?yōu)榱６容^低的凝膠，脫水性能下降，不利于過濾。但陳化后適當(dāng)攪拌可以使粒度較小的凝乳狀白炭黑轉(zhuǎn)變?yōu)樾鯛?，有效縮短過濾時間。因此，我們可以通過控制工藝條件，生成粒度較大、形態(tài)為絮狀的白炭黑，避免生成凝乳狀的白炭黑沉淀，以免過濾時間較長。在洗滌中也應(yīng)適當(dāng)攪拌，使其利于過濾。

實驗過程中，我們還發(fā)現(xiàn)：

1）洗水溫度對白炭黑過濾時間和脫水效率影響都不大。

2）濃度較低的白炭黑漿液過濾時間短，但過濾后含水率較高。

3）洗滌過程中白炭黑轉(zhuǎn)變?yōu)槟闋?，難以過濾，可適當(dāng)加以攪拌。

3 結(jié)論

在制備白炭黑過程中，可以通過控制條件參數(shù)生成粒度較大、形態(tài)為疏松的絮狀白炭黑，避免生成凝乳狀的白炭黑，以免脫水時間較長。在洗滌中也應(yīng)進行適當(dāng)?shù)臄嚢瑁姑撍畷r間大大縮短。這樣，既可以節(jié)約成本，也可以避免因脫水劑的使用造成的產(chǎn)品純度降低。

［1］ 曹建軍，劉永娟，郭廣禮.煤矸石的綜合利用現(xiàn)狀［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004，1（1）：20-22.

［2］ 李劍，劉賢群.我國煤矸石制磚的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.煤炭加工與綜合利用，2001（6）：24-25.

［3］ 李琦，孫根年，韓亞芬，等.我國煤矸石資源化再生利用途徑的分析［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2007，1（30）：78-82.

［4］ 梁愛琴，匡少平，丁華.煤矸石的綜合利用探討［J］.中國資源綜合利用，2004（2）：11-14.

［5］ 劉超.煤矸石的化工利用［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，1998，19（2）：44-45.

［6］ 薛彥輝，薛大兵，崔濤.利用煤矸石生產(chǎn)白炭黑和氫氧化鋁的研究［J］.能源環(huán)境保護，2008，22（5）：27-29.