專利名稱：從水玻璃中制備活性白炭黑工藝的制作方法
技術領域：
本發明是利用水玻璃與硫酸進行二步反應制備活性白炭黑的工藝。現有技術中大都是利用HCl與水玻璃反應制備出活性白炭黑，見《廣西化工》1990年(2)何慶芳撰寫的“活性白炭黑的研制”。也有用水玻璃和H2SO4進行二步反應制備活性白炭黑的工藝，例如《四川化工》1991年(1)刊登蔡一鵬，蔡健撰寫的文章“活性白炭黑的性質、制備及應用”。該文介紹的工藝為第一步制備硅溶膠向適當濃度水玻璃中加入稀酸，待溶液的PH值達8.5時，停止反應，靜置，出現清沏透明的膠凍。第二步反應在Na2SO4絮凝劑存在下的水玻璃溶液中加入以上制備的硅溶膠(經加熱溶化，粘度降低后的硅溶膠)攪拌，加入HCl或H2SO4調節溶液的PH為6-7即為終點。保溫熟化1小時，過濾、洗滌、干燥、粉碎即得產品。
該方法的不足之處是制備硅溶膠時將酸加到水玻璃中，當PH值為8.5時出現白色的硅凝膠，這樣的硅凝膠加熱后不易溶化，致使第二步反應難于控制，制出的白炭黑粒度不均勻，干燥后易變硬，達不到理想的活性。
水玻璃一般由石英砂與純堿在高溫下反應制得，也可以從高嶺土，煤矸石與純堿反應制得。我國盛產石英砂和高嶺土，高嶺土的儲量占全世界的首位，煤矸石為煤礦中排出的廢渣，大量占用土地。據統計截至1991年底我國煤矸石的排出量已達22億噸以上，占地17萬畝，現每年排出的矸石量達1.3億噸以上，占地約1萬畝，并污染環境。本發明的目的在于為了充分利用這些資源和克服上述現有制備白炭黑技術的不足，提出了用水玻璃與硫酸二步反應制備出粒度小、比表面積大、活性好的優質活性白炭黑的方法。
本發明的技術方案即用水玻璃與硫酸二步反應制備活性白炭黑的工藝是通過了大量實驗對工藝條件及參數進行了優化的結果，如(1).水玻璃的模數為3.1～3.4，比重為40°Be′～39°Be′。
(2).制備硅溶膠時選用H2SO4而未選用HCl，制備時是將水玻璃加到硫酸溶液中，調節溶液的PH值為1.8～2.4，并嚴格防止硅凝膠的生成。
(3).沉淀反應中加入絮凝劑NaCl(或Na2SO4)及表面活性劑乙醇(或丙三醇)，并優化出NaCl及乙醇的最佳劑量。NaCl的加入使SiO2原級粒子聚集成二級粒子形成疏松、細分散、白色絮狀結構的沉淀析出，使產品質量提高。加入乙醇可提高產品的活性和改善分散性，這樣不僅可以增大產品的比表面積而且可以提高產品的色澤及光亮度。
(4).反應終點的PH值控制為6～5，保持反應過程中溶液的溫度為70～80℃。
本發明的具體工藝過程依次包括如下步驟1、溶液的配制(1).10°Be′水玻璃和5°Be′水玻璃溶液的配制取市售模數為3.1～3.4比重為39°Be′～40°Be′的水玻璃適量，加水稀釋至10°Be′，得10°Be′水玻璃溶液。取10°Be′水玻璃適量加水稀釋至5°Be′，得5°Be′水玻璃溶液。
(2).5.5～6.5mol/L H2SO4溶液的配制取98％的工業H2SO4，按計量加水配制成5.5～6.5mol/L H2SO4溶液。
2、一步反應硅溶膠的制備取5.5～6.5mol/L H2SO4溶液0.25～130升(130升是生產上的用量，它是小試用量0.25升的放大數)，逐漸加入10°Be′水玻璃，邊加邊攪，調節溶液的PH值為1.8～2.4，再攪拌20～30分鐘，防止生成硅凝膠，陳化1～2小時備用。
3、二步反應取5°Be′水玻璃2.5～1200升(1200升是生產上的用量，它是小試用量0.25升的放大數)于反應器中，升溫到70～80℃，加入重量為5°Be′水玻璃量2～3％的NaCl和重量為5°Be′水玻璃量2～3％的95％乙醇，攪拌10～20分鐘，保持反應的溫度為70～80℃，加入上述配好的硅溶膠溶液，當溶液的PH值下降到8時，攪拌10～15分鐘，繼續加入硅溶膠直到溶液的PH值為6～5，或在硅溶膠加完的情況下，再加入6～3mol/L H2SO4調節溶液的PH值為6～5，再攪拌20～30分鐘，保溫陳化20～30分鐘，其沉淀為水合二氧化硅。
4、過濾、洗滌將以上所得的沉淀過濾，沉淀用自來水漂洗2～3次，再用蒸餾水洗滌1～2次。
5、干燥將洗凈后的沉淀在120～130℃下烘干7～8小時，控制其水分含量在6～8％(若產品量少可在烘箱內烘干，在生產上利用市售高效空氣加熱器，即利用鍋爐的蒸汽高效地轉化為熱風調節烘室溫度進行烘干)。
6、粉碎、包裝將烘干后的白炭黑粉碎至粒度為250～325目。
若原料為高嶺土或石英砂或煤矸石，先將這些原料制備成水玻璃，再利用“從水玻璃中制備活性白炭黑的工藝”制備為白炭黑。
本發明用水玻璃與硫酸二步法反應制備活性白炭黑，水玻璃選用中模數，沉淀劑選用H2SO4而未用HCl，因HCl有揮發性易造成對環境的污染，且H2SO4酸度比HCl大，制備白炭黑時硫酸的用量減少，從而降低了成本，反應中加絮凝劑NaCl和表面活性劑乙醇并嚴格控制兩個反應的PH值，在烘干技術上一般廠家烘白炭黑的溫度控制在150℃，烘干時間需15～20小時，本發明采用高效空氣加熱器，即利用鍋爐的蒸汽高效地轉化為熱風，調節烘室的溫度為120℃～130℃，烘干時間只需7～8小時，這種烘干技術處理的白炭黑的量大，操作簡單，不污染產品和環境，節能，降低了成本。
本發明所得的產品的粒徑很小，12～20nm，比表面積大，化學物理性能很好，在橡膠中的補強性能很好。該工藝先進合理、無污染，原料易得、成本低，產品質量好，并很穩定，反應易于控制，所得產品經化工部國家炭黑質量檢測中心檢驗，全部指標達到中華人民共和國國家標準G1B-10517-89和化工行業標準HG/T2197-90所規定的指標，并已通過重慶市一橡膠廠的應用試驗，試驗證明可以推廣使用。其檢驗結果如下
檢 驗 報 告
所得產品活性白炭黑的粒徑用電子顯微鏡檢驗為12～20nm。
圖1為本發明工藝流程圖在圖1中1一水玻璃2—水3—硫酸 4—酸性硅溶膠溶液5—絮凝劑和表面活性劑6—反應、沉淀、陳化、酸化7—過濾、洗滌8—水9—干燥、粉碎10—活性白炭黑實施例1硅溶膠的制備取5.5～6.5mol/L H2SO40.25升，加10°Be′水玻璃溶液，邊加邊攪，調節溶液PH值為1.8～2.4，攪拌20～30分鐘，陳化1～2小時備用。
反應取5°Be′水玻璃3升于一容器中，加NaCl溶液(90gNaCl溶于0.4升水中)及0.11升95％乙醇，保持溶液溫度為70～80℃，攪拌10分鐘，將以上配制的硅溶膠緩緩加入，當溶液PH為8時，攪拌10～15分鐘，繼續加入硅溶膠直至溶液PH為6～5，或者在硅溶膠加完的情況下，加入6～3mol/L H2SO4調節溶液PH為6～5，攪拌30分鐘，保溫陳化30分鐘。
過濾、洗滌將濾漿抽濾，濾餅用水漂洗2～3次，最后再用蒸餾水洗滌1～2次。
烘干、粉碎將洗凈的沉淀置于烘箱內，于120～130℃下烘干7～8小時，控制其水份含量為6～8％，將烘干后的沉淀粉碎至粒度250～325目，即得活性白炭黑產品。
實施例2在溶膠釜中放入5.5～6.5mol/L H2SO4130升，加入10°Be′水玻璃，用精密PH試紙調節溶液的PH值為1.8～2.4，停止加入水玻璃，記錄水玻璃的用量。
在4m3的搪瓷反應釜中加入5°Be′水玻璃1200升，打開蒸汽閥，加入NaCl溶液(12公斤NaCl溶于240升水中)及25升95％乙醇，攪拌，打開溶膠釜底閥，使硅溶膠流入反應釜中，控制反應釜中溶液的溫度為70～80℃，當溶液的PH值下降到8時，攪拌10～15分鐘，繼續加入硅溶膠至溶液的PH值為6～5，或硅溶膠已加完，再用6～3mol/L H2SO4調節溶液的PH值為6～5，攪拌0.5小時，保溫陳化0.5小時，打開反應釜的底閥，將濾漿放入貯池，冷卻一段時，將濾漿用泵打入板框壓濾機中過濾，用自來水洗滌濾餅，再用冷卻水洗滌，壓干，將濾餅放出，分為細塊，用鋁盤裝盛并置于烘室中，在120℃～130℃下烘干7-8小時，控制水份的含量為6—8％，將烘干的白炭黑用萬能粉碎機粉碎至粒度為250～325目，然后用兩層塑料袋包裝成袋，即得活性白炭黑產品。
權利要求
1.一種從水玻璃中制備活性白炭黑工藝，包括依次進行原料的選擇與其溶液的配制，第一步反應制備硅溶膠，第二步反應，過濾、洗滌、干燥、粉碎、包裝，其特征在于(1).選擇模數為3.1-3.4，其溶液比重為39°Be′～40°Be′的市售水玻璃，加水稀釋至比重為10°Be′和5°Be′水玻璃溶液；將濃度為98％的市售H2SO4，加水配制成5.5—6.5mol/L H2SO4溶液；(2).制備硅溶膠取5.5～6.5mol/L H2SO4溶液0.25～130升，置于容器中，逐漸在其中加入10°Be′水玻璃溶液，邊加邊攪拌，直至該溶液的PH為1.8-2.4，再攪拌20～30分鐘，然后陳化1～2小時；(3).第二步反應是1).將5°Be′模數為3.1～3.4，體積為2.5～1200升的水玻璃置于反應器中，升溫到70～80℃，加入重量為5°Be′水玻璃量2-3％的NaCl和重量為5°Be′水玻璃量2-3％的95％乙醇；2).攪拌10～20分鐘，并保持反應濕度為70～80℃；3).加入硅溶膠溶液，邊加邊攪，當溶液的PH下降到8時，攪拌10～15分鐘，繼續加入硅溶膠直到溶液的PH為6～5，或者硅溶膠加完的情況下，再用3～6mol/L H2SO4調節溶液的PH為6～5，再攪拌20～30分鐘，保溫陳化20～30分鐘，其沉淀為水合二氧化硅；4).將以上所得的沉淀過濾，沉淀用自來水漂洗2～3次，再用蒸餾水洗滌1～2次；5).將洗凈后的沉淀在120～130℃下烘干7～8小時，控制其水份的含量為6～8％，并將烘干后的沉淀粉碎至250～325目。
2.根據權利要求1所述的從水玻璃中制備白炭黑工藝，其特征在于第一步反應中制備硅溶膠時H2SO4最佳濃度為6mol/L。
3.一種從水玻璃中制備活性白炭黑的工藝，其特征在于該工藝用于以高嶺土為原料制備活性白炭黑。
4.一種從水玻璃中制備活性白炭黑的工藝，其特征在于該工藝用于以石英砂為原料制備活性白炭黑。
5.一種從水玻璃中制備活性白炭黑的工藝，其特征在于該工藝用于以煤矸石為原料制備活性白炭黑。
全文摘要
本發明涉及到利用一種用水玻璃和硫酸進行二步反應制備出活性白炭黑的工藝。本工藝包括選擇原料和溶液配制，制備硅溶膠、二步反應、過濾、洗滌、粉碎、包裝。對水玻璃的模數，原料的濃度及其配比，兩步反應的pH值、反應溫度等進行了優化并找出了最佳參數。該工藝先進、節能、產品質量好、粒度小、比表面積大、活性好、無污染、工藝簡單易掌握、成本低廉，本方法不僅適用于從水玻璃中制備活性白炭黑，也適用于高嶺土、石英砂、煤矸石為原料制備活性白炭墨。
文檔編號C01B33/14GK1128239SQ95111408
公開日1996年8月7日 申請日期1995年6月14日 優先權日1995年6月14日
發明者雷清如, 游波, 唐思進 申請人:重慶大學