酸浸法高镁炉渣制备白炭黑的研究*

于海莲，胡 震

（1.四川理工学院材料与化学工程学院，四川自贡 643000；2.精细化工助剂及表面活性剂四川省高校重点实验室）

长期以来，绝大多数炉渣未得到利用，甚至被废弃，炉渣一直是各大钢铁企业亟待解决的难题［1］。广西防城港地区的炉渣主要以高镁炉渣为主，镁含量过高，严重影响到下游产品的安定性，因此，更加严重制约了高镁炉渣的利用［2］。炉渣的大量堆积不仅侵占土地资源，而且对大气、土壤和水资源造成严重的污染，给当地居民的健康带来极大的潜在危害，因此，对炉渣中的有用资源进行回收利用，是一项利国利民的工作。将炉渣中的硅制备成白炭黑产品，可用于轮胎、硅橡胶、农药、饲料、涂料、食品、油墨、电池、催化剂载体、电子封填材料等领域，具有广泛的应用前景，白炭黑具有较高的附加值，可带来可观的经济效益［3-4］。目前，国内外利用高镁炉渣中硅制备白炭黑的研究仅有一篇报道，林七女等［5］利用高炉渣制备水合二氧化硅，但未系统性考察各因素对水合二氧化硅的影响；另外，苏毅、黄礼丽等［6-8］在利用黄磷炉渣制备白炭黑上取得了一些研究成果，但原料主要是以黄磷炉渣为研究对象。本研究利用非淬水高镁炉渣中的主要成分二氧化硅制备白炭黑，为高镁炉渣的综合利用开辟了一条新途径。

1 实验部分

1.1 实验原料、试剂与仪器

实验原料：采用广西防城港炼钢炉渣，预先干燥处理，粒度≤250 μm，其主要成分如表1所示。

表1 炉渣主要成分 %

试剂：浓盐酸，分析纯。

仪器：QM-QX10型实验室球磨机；HH-2型数显恒温水浴锅；SHB-Ⅲ型循环水式真空泵；JHS-1/90型电子恒速搅拌机；DHG-9075A型电热鼓风干燥箱；S4 Explorer X射线荧光光谱仪；TENSOR27型傅里叶变换红外光谱仪。

1.2 工艺流程

粉末状炉渣→用盐酸酸解→过滤→得到白炭黑粗产品→用蒸馏水充分洗涤→烘干→白炭黑产品。

1.3 实验方法

1）将球形非淬水高镁炉渣研磨成粉末状；2）配制一定浓度的盐酸溶液，置于水浴锅中对其进行加热，向其中加入适量的炉渣粉末，对其不断搅拌，使其充分溶解和反应；3）对反应溶液进行过滤，收集过滤沉淀，并用蒸馏水对其洗涤，烘干待检测；4）采用红外光谱对产品进行定性分析，采用X射线荧光光谱进行纯度分析。

1.4 检测分析

1）傅里叶红外光谱检测。实验条件：采用KBr压片法，仪器分辨率为4 cm-1，检测器为MCT，检测范围为 400～4000 cm-1。

2）X射线荧光分析。实验条件：X射线管为75 μm端窗Rh靶光管，真空条件下无标样检测原子序数大于6的各种元素及其含量。

2 结果与讨论

2.1 样品的红外光谱分析

图1是样品的红外光谱图。由图1可知，在1088.7 cm-1和468.2 cm-1处出现的两个峰为 Si—O—Si的伸缩振动和弯曲振动引起的特征吸收峰，可以确定该产品中含有SiO2；在3440.0cm-1处的宽峰是由于样品中结晶水的—OH伸缩振动，1633.3 cm-1处的吸收峰是由于样品中结晶水的—OH的弯曲振动，说明产品中含有结晶水。因此，可确定该产品即为白炭黑。

图1 样品的红外光谱图

2.2 考察各工艺因素对白炭黑制备的影响

2.2.1 盐酸浓度对白炭黑产量的影响

工艺条件：20 g粉末炉渣，反应时间为1.5 h，反应温度为65℃，洗涤次数为6次。考察不同浓度的盐酸对白炭黑产量的影响，其实验结果如图2所示。

图2 盐酸浓度对白炭黑产量的影响

由图2可知，当盐酸浓度小于4.0 mol/L时，白炭黑产量随盐酸浓度的增大而减小；而当盐酸浓度大于4.0 mol/L时，白炭黑的产量随盐酸浓度的增大而增大。这是因为在盐酸酸解非淬水高镁炉渣反应中，该反应体系是一个放热反应，盐酸的浓度越大，活化分子的数目将增加，反应速率将加快，生成的胶体包覆在未反应的颗粒表面，阻止了炉渣颗粒进一步反应，所以，白炭黑的产量减小；但当盐酸的浓度达到一定量时，反应液的固液比相对较大，生成物将由离子态向结晶形态转化，有利于反应朝正反应方向进行，所以白炭黑的产量增大。考虑到盐酸浓度较低时，反应速率较低，反应所需时间较长，因此，盐酸浓度选择4.0 mol/L为宜。

2.2.2 反应温度对白炭黑产量的影响

工艺条件：20 g粉末炉渣，盐酸浓度为4.0 mol/L，反应时间为1.5 h，去离子水洗涤6次。考察不同反应温度对白炭黑产量的影响，其实验结果如图3所示。由图3可知，温度低于55℃时，白炭黑产量随温度的升高而减小；当温度高于55℃后，温度升高，白炭黑产量趋于稳定。这是因为温度升高，体系的反应速率增大，同时该反应是一个放热反应，因此，随着温度的升高，加速了反应体系中HCl的挥发，盐酸的量将减少，导致白炭黑的产量降低；而温度高于55℃时，反应温度较高，反应在较短的时间内完成，盐酸的挥发量虽有所降低，但是生成的胶体快速地包覆在未反应的颗粒表面，阻止了炉渣颗粒进一步反应，而且生成的产物会向四周扩散，不利于聚集，所以，白炭黑的产量几乎趋于平稳。虽然温度低于55℃时，产率较高，但是反应的速率较低，因此，综合考虑，反应温度选择55℃为宜。

图3 反应温度对白炭黑产量的影响

2.2.3 反应时间对白炭黑产量的影响

工艺条件：20 g粉末炉渣，盐酸浓度为4.0 mol/L，温度为55℃，洗涤6次。考察不同反应时间对白炭黑产量的影响，其实验结果如图4所示。

图4 反应时间对白炭黑产量的影响

由图4可知，随着反应时间的不断延长，白炭黑产量不断增大，主要是由于反应时间长，反应物得到充分反应，反应比较彻底。但是，随着反应时间的延长，生成的白炭黑不断地向四周进行扩散和溶解，不利于聚集，也会导致少量的产物损失，因此，当反应时间超过2.5 h以后，白炭黑的产量几乎不再增加。故反应时间应选择2.5 h为宜。

2.2.4 去离子水洗涤次数对白炭黑产量的影响

工艺条件：20 g粉末炉渣，盐酸浓度为4.0 mol/L，温度为55℃，反应时间为2.5 h。考察洗涤次数对白炭黑产量的影响，其实验结果如图5所示。由图5可知，白炭黑的产量随着去离子水洗涤次数的增加先快速降低后趋于平稳。这是因为，产品在不断洗涤的过程中会有部分白炭黑溶解在去离子水中，导致了部分产品损失，同时，产品中的杂质也会充分溶解在去离子水里，所以，产量开始明显减少。当洗涤次数少于6次时，白炭黑的纯度较低。当洗涤次数超过6次以后，产量趋于平稳，主要是由于产品中的绝大多数杂质被洗涤掉，产品剩下的颗粒稍大一些，溶解度较低，此时产品的纯度也较高，能达到90.2%以上，此时白炭黑的产量为10.90 g。因此，白炭黑洗涤次数选择6次为宜。

图5 洗涤次数对白炭黑产量的影响

3 结论

探讨了采用盐酸酸解非淬水高镁炉渣制备白炭黑产品工艺的可行性。得到了白炭黑制备最佳工艺条件：盐酸浓度为4.0 mol/L，反应温度为55℃，反应时间为2.5h，洗涤次数为6次。在该工艺条件下白炭黑的产量为10.90g，白炭黑产品纯度达到90.2%。

［1］远忠森.高镁炉渣性能研究进展［D］.长沙：中南工业大学，1984.

［2］侯新凯，徐德龙，薛博，等.钢渣引起水泥体积安定性问题的探讨［J］.建筑材料学报， 2012，15（5）：588-595.

［3］朱春雨.我国沉淀法白炭黑市场现状及发展趋势［J］.橡胶科技市场，2011（6）：2-9.

［4］方明，王爱琴，谢敬佩，等.电子封装材料的研究现状及发展［J］.热加工工艺，2011， 40（4）：84-87.

［5］林七女，李志峰，管山吉，等.利用高炉渣生产水合二氧化硅的研究［J］.中国资源综合利用，2010，28（6）：33-35.

［6］苏毅，李国斌，夏举佩.磷酸浸取黄磷炉渣制沉淀二氧化硅的研究［J］.无机盐工业，2007， 39（11）： 41-44.

［7］苏毅，李国斌，夏举佩，等.黄磷炉渣资源化的试验研究［J］.矿冶，2008，17（1）： 26-29.

［8］黄礼丽，何登良，邓启华，等.盐酸浸取黄磷炉渣制备白炭黑［J］.绵阳师范学院学报， 2010，29（2）：63-68.