一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法与流程

本发明属于材料科学与工程技术领域，特别涉及一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法。

背景技术：

白炭黑，多孔和高分散性的微细白色粉末，又称水合二氧化硅或沉淀二氧化硅，是无定形硅酸和硅酸盐的总称，不溶于水及绝大多数酸，能溶于氢氧化钠和氢氟酸。白炭黑具有多孔性、高分散性、质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧、电绝缘性好等优异性能，广泛应用于橡胶、塑料、涂料、造纸、食品和化妆品等行业。白炭黑的生产方法，根据国内外的资料表明，主要是沉淀法和气相法两大类。传统沉淀法制备白炭黑的方法是硅酸钠酸化法，是以水玻璃为原料，通过与酸反应沉淀、过滤、洗涤、干燥得到沉淀白炭黑。或以sio2含量较高矿物岩土为原料，通过湿法直接中和、沉淀工艺生产制备白炭黑。此两种方法工艺简单，生产条件稳定，成本较低，产量大，是目前工业生产中普遍采用的方法。但是存在以下问题：原料采用水玻璃，成本高，而且比表面积不高，一般在154-185m²/g。

技术实现要素：

本发明提供了一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法，解决了现有沉淀法制备白炭黑成本高、比表面积小等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

①将硅藻页岩粉体加入过量浓酸，油浴加热至120-200℃，保温1-4h；

②将上述处理后的混浊液过滤，得到黑色粘稠固体，水洗，过滤，并重复操作2-5次，将样品置于40-120℃烘箱中干燥；

③将上述干燥完全的样品与一定量的固体强碱颗粒混合，加热至550-850℃，自然冷却；

④向处理后的样品中加入一定量的去离子水，搅拌后过滤，得到上清液；往过滤得到的上清液中加入一定量的稀强酸中和，将得到的溶液置于150-220℃烘箱中蒸干；

⑤将蒸干后的固体取出，并加入一定量的去离子水，搅拌后过滤，得到白色固体颗粒，并置于40-120℃烘箱中干燥完全即为最终产品。

本发明也提供了另一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

①将硅藻页岩粉体加入过量浓强酸，油浴加热至120-200℃，保温1-4h；

②将上述处理后的混浊液过滤，在离心机中以5000-8000r/min的速率离心3-8min；

③将离心后得到的固体浆料烘干，取出烘干后的粉体在550-850℃，保温3-6h，冷却，既得。

优选地：所述的硅藻页岩选自未经处理的硅藻页岩原矿。

优选地：所述的浓强酸为浓硫酸或浓硝酸。

优选地：所述的浓强酸质量浓度40~99%。

优选地：所述的液体稀强酸为稀氢氟酸、稀盐酸、稀氢溴酸或稀氢碘酸。

优选地：所述的稀强酸应满足在水溶液中完全电解，按照产生h+的摩尔数与加入强碱的摩尔数相同计算加入的量。

优选地：所述的步骤③中强碱颗粒选自可与二氧化硅发生反应的颗粒状氢氧化钠或氢氧化钾。

优选地：所述的步骤③样品与固体强碱颗粒按照硅藻页岩：强碱=1:1.2-1:2.0的质量比混合。

优选地：所述的步骤④和⑤去离子水添加量按照硅藻页岩：去离子水=1:20-1:60的质量比。

本发明的有益效果：

硅藻页岩是一种天然纳米材料，主要化学组分为sio2和al2o3，还含有少量的fe2o3，k2o，mgo和有机杂质，其主要化学成分如表1所示）。其矿物相主要是方解石和石英，其主要矿物组成如图1所示）这种轻质页岩是一种具有较大比表面积和丰富微孔结构且富含胶质状活性二氧化硅的天然纳米矿物，具有质轻、硬度低、强吸附性等特点，可以广泛应用于农业领域，化工领域及建筑领域，是一种天然绿色环保的矿物材料。本发明将硅藻页岩用于制备白炭黑，不仅能够实现资源利用，而且制备的白炭黑结晶度低，白度达90以上、比表面积为439m2/g，可用于补强剂、稀释剂、抗结块剂、填料以及消光剂等领域；本发明具有工艺流程简单、成本低廉等优势，在矿物利用行业具有广泛的应用前景。

目前在涂料、造纸以及汽车等工业用途中，仅对硅酸盐原料的白度要求较高，对原料中二氧化硅的纯度要求较低。考虑到硅藻页岩制备白炭黑的工艺条件及成本，直接利用高纯度的白炭黑作为这些工业原料比较浪费，因此在硅藻页岩制备白炭黑的方法基础上，急需研究一种工艺更为简单、成本更加低廉、产量更大的硅藻页岩增白方法。利用该方法制备的增白型硅藻页岩，白度得到极大的提高，由7.4提高至91.7，同时二氧化硅纯度符合相关要求，质量分数达到了87%，产量达到了70%以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为原矿增白前后以及制备的白炭黑的xrd图谱；

图2为原矿增白前后以及制备的白炭黑的颜色变化；

图3为原矿以及制备的白炭黑的白度变化。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

（1）将10g硅藻页岩粉体置于圆底烧瓶中，加入100ml质量分数为98%的浓硫酸，油浴加热至180℃，保温2小时；

（2）将上述处理后的混浊液过滤，得到黑色粘稠固体，水洗，过滤，并重复操作3次，将样品置于70℃烘箱中干燥；

（3）将上述干燥完全的样品与15g氢氧化钠固体颗粒（按照硅藻页岩：氢氧化钠=1:1.5的质量比）混合后置于石英坩埚中，在马弗炉中加热至650℃，550-850℃。

（4）向处理后的样品中加入400ml去离子水（按照硅藻页岩：去离子水=1:40的质量比），搅拌后过滤，得到上清液；

（5）往过滤得到的上清液中加入375ml浓度1mol/l的稀盐酸中和，将得到的溶液置于140℃烘箱中蒸干；

（6）将蒸干后的固体取出，并加入400ml去离子水（按照硅藻页岩：去离子水=1:40的质量比），搅拌后过滤，得到白色固体颗粒，并置于70℃烘箱中干燥完全即为白炭黑产品，其化学组成变化如表1所示（l样品），矿物相变化如图1所示（l样品），宏观形貌如图2所示（l样品）。

实施例2

一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

（1）将10g硅藻页岩粉体置于圆底烧瓶中，加入50ml质量分数为71%的高氯酸，油浴加热至140℃，保温1小时；

（2）将上述处理后的混浊液过滤，得到黑色粘稠固体，水洗，过滤，并重复操作2次，将样品置于50℃烘箱中干燥；

（3）将上述干燥完全的样品与12g氢氧化钠固体颗粒（按照硅藻页岩：氢氧化钠=1:1.2的质量比）混合后置于石英坩埚中，在马弗炉中加热至550℃，550-850℃。

（4）向处理后的样品中加入200ml去离子水（按照硅藻页岩：去离子水=1:20的质量比），搅拌后过滤，得到上清液；

（5）往过滤得到的上清液中加入300ml浓度1mol/l的稀氟酸中和，将得到的溶液置于120℃烘箱中蒸干；

（6）将蒸干后的固体取出，并加入200ml去离子水（按照硅藻页岩：去离子水=1:20的质量比），搅拌后过滤，得到白色固体颗粒，并置于50℃烘箱中干燥完全即为白炭黑产品。

实施例3

一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

（1）将10g硅藻页岩粉体置于圆底烧瓶中，加入100ml质量分数为65%的浓硝酸，油浴加热至200℃，保温4小时；

（2）将上述处理后的混浊液过滤，得到黑色粘稠固体，水洗，过滤，并重复操作5次，将样品置于90℃烘箱中干燥；

（3）将上述干燥完全的样品与20g氢氧化钾固体颗粒（按照硅藻页岩：氢氧化钾=1:2的质量比）混合后置于石英坩埚中，在马弗炉中加热至800℃，550-850℃。

（4）向处理后的样品中加入600ml去离子水（按照硅藻页岩：去离子水=1:60的质量比），搅拌后过滤，得到上清液；

（5）往过滤得到的上清液中加入400ml浓度1mol/l的稀氢溴酸中和，将得到的溶液置于160℃烘箱中蒸干；

（6）将蒸干后的固体取出，并加入600ml去离子水（按照硅藻页岩：去离子水=1:60的质量比），搅拌后过滤，得到白色固体颗粒，并置于90℃烘箱中干燥完全即为白炭黑产品。

实施例4

一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

（1）称取10g硅藻页岩为原料置于圆底烧瓶中，加入50ml质量分数为98%的浓硫酸，充分混匀。

（2）将混合后的混浊液放入180℃油浴锅中加热2小时，然后在离心机中以6000r/min的速率离心5min。

（3）将离心后得到的固体浆料放入80℃电热鼓风干燥箱中烘干，取出烘干后的粉体置于石英坩埚中在750℃的马弗炉中保温4小时，即得白炭黑，其化学组成变化如表1所示（s样品），矿物相变化如图1所示（s样品），宏观形貌如图2所示（s样品），其白度变化如图3所示。

实施例5

一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

（1）称取10g硅藻页岩为原料置于圆底烧瓶中，加入100ml质量分数为71%的高氯酸，充分混匀。

（2）将混合后的混浊液放入120℃油浴锅中加热4小时，然后在离心机中以8000r/min的速率离心3min。

（3）将离心后得到的固体浆料放入80℃电热鼓风干燥箱中烘干，取出烘干后的粉体置于石英坩埚中在550℃的马弗炉中保温6小时，即得白炭黑。

实施例6

一种利用硅藻页岩制备白炭黑的方法，包括以下步骤：

（1）称取5g硅藻页岩为原料置于圆底烧瓶中，加入50ml质量分数为65%的浓硝酸，充分混匀。

（2）将混合后的混浊液放入200℃油浴锅中加热1小时，然后在离心机中以5000r/min的速率离心7min。

（3）将离心后得到的固体浆料放入80℃电热鼓风干燥箱中烘干，取出烘干后的粉体置于石英坩埚中在850℃的马弗炉中保温3小时，即得白炭黑。

测定原矿、硅藻页岩增白后（s样品）及白炭黑（l样品）的主要化学成分变化，具体如表1所示。

测定硅藻页岩制备白炭黑前后的比表面积变化，具体如表2所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。