利用油页岩灰渣制备白炭黑

摘要：本实验以桦甸油页岩灰渣为原料，采用非金属矿解离法制备白炭黑，分析影响因素并确定了最佳工艺条件：煅烧温度750℃，浸泡时间3天，初始固液比为1：4。

关键词：油页岩灰渣;白炭黑;解离法;煅烧温度

引言

近年来随着石油资源的紧缺，油页岩作为一种替代能源因其储量巨大和发展前景广阔而备受关注[1]。但油页岩在煅烧后会产生大量油页岩灰渣，堆放占地的同时又污染环境，因而，如何合理充分地利用油页岩灰渣不仅具有经济效益，更具有巨大的环保和社会效益。白炭黑是微细粉末状或超细粒子状无水及含水二氧化硅或硅酸盐类的通称。因表面含有较多羟基，易吸水而成为聚集的细粒，具有化学稳定性好、耐高温、内表面积大、电绝缘性强等优异性能。传统的白炭黑生产方法是气相法和沉淀法。气相法是将四氯化硅气体在氢—氧气流中于高温下水解制得，其产品纯度极高，性能优异，但对设备要求较高，原料稀少极贵，技术控制复杂，投资规模大[2]。沉淀法采用水玻璃溶液与酸反应，经沉淀、过滤、洗涤、干燥和煅烧而得，该法原料易得，流程简单，但能耗大，对环境要求较高[3]。本实验研究利用油页岩灰渣生产白炭黑，采用非金属矿解离法，分析影响因素并确定了最佳工艺条件，减少环境污染，实现油页岩灰渣的综合利用。

一、实验部分

（一）原料、试剂与仪器

原料：桦甸地区公河四油页岩样;

试剂：氢氧化钠、浓盐酸、无水乙醇、乙酸铵等;

仪器：马弗炉，搅拌器，白度仪，分光光度计，水浴锅，真空泵等。

（二）试样的制备

（1）破碎和过筛：利用密闭式破碎缩分联合制样粉碎机，先把试样人工粉碎到0.68mm以下，然后用0.68mm筛空的机器粉碎，取1/8缩分斗中试样。

（2）缩分：将干燥后的试样少量铲起，在钢板上堆成一个圆锥体。为使试样分布均匀，堆堆时必须围着试样将试样从底部铲起，然后从锥顶自上而下洒落。混匀后用四分法取6mm以下颗粒装入磨口瓶中，剩余试样用0.68mm筛子筛分，把3～6mm之间的试样人工缩分到3mm以下，然后再混匀，取1/2装入磨口瓶中，把剩余的1/2试样用磨煤机磨碎，用0.2mm筛子筛滤，把大于0.2mm的颗粒再用砚钵砚制到0.2mm 以下装入磨口瓶中。

（3）煅烧：将试样平铺在瓷槽中放入马弗炉中煅烧2小时，取出后于室温下12小时至恒重。

（三）实验步骤

（1）取800ml烧杯加入400ml浓硫酸，置于水浴锅中，待温度达100℃加入试样并搅拌;

（2）将产物放入酸式漏斗中抽滤;

（3）将漏斗中的产物挖出放入2000ml的烧杯中，用除盐水洗涤，沉化30分钟后，将上层清液倒入漏斗中洗涤，如此重复15～20次，至溶液的pH值为中性;

（4）取出产物放入瓷槽中通风干燥;

（5）称量，记录数据;

（6）放入烘箱中，7小时后称量，记录数据。

（7）放入马弗炉中，设定950℃，4小时后取出，待温度降至室温后称量，记录数据。

（四）含量测定

以氢氧化钠熔融法进行产物分析，并通过分别测定，得到原样的各组分含量。

二、实验结果与讨论

（一）煅烧温度的影响

1.煅烧温度对除碳率的影响

由实验数据可知，当煅烧温度大于750℃时，碳的去除率均在99.00%以上，从节能方面考虑，选择煅烧温度为750℃。

2.煅烧温度对组分含量的影响

温度升高，煤系高岭岩因脱碳、脱水而使其晶体结构遭到破坏，结晶程度下降。因此高溫煅烧可使高岭石中的硅氧四面体骨架易于裂解，并使硅铝分离得到四配位的铝，此时Al2O3活性增大。试验表明，在750℃左右活性最大，温度继续升高至800℃ 时，因重新生成新的结晶相而使其活性下降。

（二）浸泡时间的影响

随着浸泡时间的延长，化学反应的程度逐步加深，但达到一定的时间后，硅的含量便不再增加，从实验结果及节能方面考虑，选择浸泡时间为3天。

（三）固液比的影响

随着矿浆初始固液比的减小，固体浸渣中的杂质铁含量有所降低。当酸浸初始固液比小于1：4时，Al2O3 和铁的浸出率基本不变。为减少硫酸耗量，酸浸初始固液比以1：4为宜。

三、结论

实验确定了制备白炭黑的最佳工艺条件：煅烧温度为750℃，浸泡时间3天，初始固液比为1：4，证实了油页岩灰渣制备白炭黑的可行性，实验结论能否应用于不同品位的油页岩仍需进一步验证。

参考文献：

[1] 罗万江，兰新哲，宋永辉.油页岩开发利用技术进展[J].化学工业，2014，32（9）：25-30.

[2] 李素英，钱海燕.白炭黑的制备与应用现状[J].无机盐工业，2018，40（1）：8-10.

[3] 张秋民，关军，何德民.几种典型的油页岩干馏技术[J].吉林大学学报：地球科学版，2006，36（6）：1019— 1026.

作者简介：

李华北（1982- ），男，吉林长岭人，讲师，硕士，研究方向为环境工程、污染治理。

基金项目：黄河水利职业技术学院青年骨干教师培养计划（2019-21）