【文章內容簡介】 工藝較成熟。故該法為當今世界各國所普遍采用的方法。 該法雖然反應條件要求不苛刻，但是對各種條件參數(shù)諸如原料硅酸鈉的模數(shù)、原料液的濃度、反應溫度、加料和攪拌速度以及 PH值等的最佳組合要求十分嚴格。國外往往是一套裝置生產(chǎn)多品級、多牌號的產(chǎn)品，全都在工藝條件的選擇和各種參數(shù)的組合上下功夫。不過，該法要 生產(chǎn)活性級的白炭黑，還是比較困難的，生產(chǎn)超細微級的白炭黑就更困難了。其產(chǎn)品質量不如氣相法生產(chǎn)的好。 吉林大學材料科學與工程學院本科生畢業(yè)論文 9 第 2章 白炭黑的制備 吉林大學材料科學與工程學院本科生畢業(yè)論文 10 硅酸鈉溶液的制備 實驗材料選取 本實驗采用濕法（沉淀法）制取白炭黑。目前，工業(yè)生產(chǎn)上主要用含二氧化硅比較多的礦物或工業(yè)廢渣（如膨潤土、高嶺土、硅灰石、粉煤灰等）做原料，通過預處理得到制備白炭黑的前期原料水玻璃，然后經(jīng)酸化、過濾、烘干、粉碎來值得白炭黑。由于實驗室條件受各方面限制，所以選擇含高純度二氧化硅 的石英粉和無水碳酸鈉作原料，通過充分混合、高溫固相反應制取硅酸鈉，然后通過酸化、抽濾、烘干、粉碎制取白炭黑。本實驗主要是通過實驗來研究制取高質量的白炭黑的實驗條件。 實驗過程 制取硅酸鈉，我們首先要確定實驗過程中的最佳反應條件，包括高溫反應的溫度、無水碳酸鈉與石英粉的配比、高溫反應的時間以及水溶條件。 （ 1） 高溫反應溫度的研究 根據(jù)別人用粉煤灰制取白炭黑的高溫反應溫度大約為 850℃左右，并且粉煤灰中含有多種氧化物，如氧化鈣、氧化鐵等，它們在高溫反應的過程中會起到助熔作用，因此，設想高純度二氧化硅與無水碳 酸鈉的反應溫度應高于 850℃。同時由于反應原料中會有很大比例的碳酸鈉，所以在探究高溫反應溫度時仍然設定溫度梯度中有低于 850℃的溫度。 設定溫度梯度為 750℃、 800℃、 850℃、 900℃、 950℃。原料配比按摩爾比 1:1混合，在達到所設溫度梯度下均保溫半小時。 在天平室準確稱量 5份摩爾比為 1:1的實驗原料，稱取過程中保證誤差小于 5‰。在研缽中充分研磨，是樣品充分混合均勻。 由于實驗在高溫下進行，并且含有較多的碳酸鈉，所以不能使用瓷坩堝，要使用高溫的高鋁坩堝。取高鋁坩堝 5個，編號 5，把研磨充 分的 5份樣品分別加入相應坩堝內，在高溫室 10爐中分別在相應溫度吉林大學材料科學與工程學院本科生畢業(yè)論文 11 梯度下保溫半小時（如表 )。 表 相同配比樣品所對應的不同反應溫度 1 2 3 4 5 反應溫度 (℃） 750 800 850 900 950 保溫時間（ h） 自然冷卻至室溫，取 250ml燒杯 5個，分別加入 200ml蒸餾水，編號 15，放在電磁加熱攪拌器上加熱至沸騰，然后把相應編號坩堝內反應產(chǎn)物完全加入燒杯內，并在燒杯內加入磁子，蓋上表面皿，使其充分加熱攪拌 20min。 冷卻至室 溫，取濾紙 5張，編號 15，用抽濾機充分抽濾，烘干。對比濾紙前后重量（如表 ）。 表 相同配比不同反應溫度所對應的濾渣質量 1 2 3 4 5 濾紙質量（ g） 烘干后濾紙質量（ g） 濾渣質量 通過表 ，在 900℃下，濾渣質量明顯減小， 950℃下與 900℃相比相差不大，但溫 度提高，相應的能耗就會增大，所以確定 900℃為最佳高溫反應溫度。 （ 2）原料配比的研究 本實驗主要是制得白炭黑，因此也就需要提高二氧化硅的利用率，所以配比中要加大無水碳酸鈉的量。 設定配比的梯度 )()(322 : CONaSiO nn為 1： 1： 、 1:、 1:、 1:，在天平室準確稱量不同配比的樣品，按比例有 )()(322 : CONaSiO nn從小到大的順序充分研磨后加入 15號坩堝內。在 900℃下，在高溫室 10號爐中保溫 。 冷卻至室溫，同（ 1）一樣，在相應燒杯中加熱，充分攪拌溶解，冷卻后，抽濾、烘干，對比濾紙前后質量（如表 ）。 表 不同配比樣品在相同條件下濾渣質量 吉林大學材料科學與工程學院本科生畢業(yè)論文 12 )()( 322 : CONaSiO nn 1:3 1:6 1:9 1:20 1:40 濾紙質量 烘干后濾紙質量 濾渣質量 由表 ， )()(322 : CONaSiO nn為 1:，以后雖然增大無水碳酸鈉的量，濾渣質量也無明顯下降，所以確定最佳配比為1:。 (3)高溫反應時間的研究 設高溫反應時間的梯度為 、 、 、 、 。配比?。?2）中最佳配比二氧化硅與碳酸鈉的摩爾比為 1:，溫度取（ 1）中最適溫度900℃。稱量、研磨均勻，放入 15號坩堝內在 10號 爐中煅燒相應時間，冷卻至室溫，溶解、抽濾、烘干、稱量。對比濾紙前后質量（如表 ）。 表 不同保溫時間下濾渣質量 濾紙編號 1 2 3 4 5 保溫時間 h 濾紙質量 g 烘干后濾紙質量 g 濾渣質量 g 由表 ,取保溫 。 （ 4） 水溶條件 的研究 由于實驗室條件，在不同溫度下充分加熱攪拌不易做到，所以水溶溫度確定為 100℃ ,不再研究。主要研究水溶時間和固液比兩個變量。 ?水溶時間的研究 設水溶時間梯度為 5min、 10min、 15min、 20min、 25min。按（ 1）、（ 2）、（ 3）中最佳條件，稱取樣品、研磨、高溫反應、冷卻、水溶（ 100ml水）、抽濾、烘干。對比濾紙前后質量（如表 ） 表 不同水溶時間所對應的濾渣質量 濾紙編號 1 2 3 4 5 吉林大學材料科學與工程學院本科生畢業(yè)論文 13 水溶時間（ min） 5 10 15 20 25 濾紙質量（ g） 烘干后濾紙質量（ g） 濾渣質量（ g） 由表 ，確定水溶時間為 15min最佳。 ?固液比的研究 設梯度為 50ml、 100ml、 150ml、 200ml。按（ 1）、（ 2)、（ 3）中最佳條件，稱樣、研磨、高溫反應、冷卻、溶解（ 15min）、抽濾、烘干。對比濾紙前后質量 (如表 ）。 表 不同水溶水量所對應 的濾渣質量 濾紙編號 1 2 3 4 水量 ml 50 100 150 200 濾紙質量 烘干后濾紙質量g 濾渣質量 g 由表 ,確定 50ml水量為最佳。 由實驗所得數(shù)據(jù)，確定制取硅酸鈉的最佳條件為 )()(322 : CONaSiO nn為1:，反應溫度為 900℃，高溫反應時間為 ，水溶時間為 15min，固液比為 :50（ 碳酸鈉的質量， 50為蒸餾水的質量，也是蒸餾水的體積）。 吉林大學材料科學與工程學院本科生畢業(yè)論文 14 白炭黑的制備 碳分法制備 由于 32COH 的電離常數(shù)大于 32SiOH ，因此可用通入 2CO 氣體來代替酸與硅酸鈉反應制備沉淀白炭黑，此法稱為碳分法。其原理是把事先制得的硅酸鈉溶液置于反應器中，加入適量絮凝劑，并不斷通入 2CO 氣體。反反應初期是典型的氣 液兩相反應；反應中期出現(xiàn)含水的二氧化硅固體顆粒（即沉淀法白炭黑），在在絮凝劑作用下開始絮凝沉淀，而后直至反映結束都是氣 液 固三相反應體系。主要反應式如下： 32232239。239。222223222222)(N a H C OOHCOCONaOHnnOHnm S iOOnHm S iOOnHm S iOCONaCOOnHm S iOONa??????????????? 絮凝劑：可使液體中分散的細粒固體形成絮凝物的高分子聚合物。 絮凝劑分類：無機絮凝劑和有機絮凝劑。 絮凝劑理論基礎是“聚并”理論，絮凝劑主要是有帶正（負）電性的基團中和一些水中帶有負 (正）電性難于分離的一些粒子或叫顆粒，降低其電勢，使其處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并利用其聚合性質使得這些顆粒集 中，并通過物理或化學方法分離出來。 （ 1）絮凝劑配制 準確稱量 5g明膠，誤差不能超過 ‰。加入 500ml燒杯中，加入適量水（不 要超過 500ml），放入磁子，在電磁加熱攪拌器加熱攪拌，使明膠充分溶解，取 500ml容量瓶，在溶液冷卻后配制成 1%的明膠溶液。用同樣方法配制 1%的聚乙二醇溶液。 （ 2）碳分 取 50ml量筒 1個， 20ml量筒 1個， 100ml量筒一個， 8個 250ml燒杯，編號 18，用量筒分別稱取 20ml事先制得的溶液，分別加入 8個燒杯中，用 20ml量筒分別稱取 5ml、 10ml、 15ml、 20ml的 1%的明膠溶液，分別加入 14號燒杯中，用 50ml量筒分別稱取 30ml、 40ml、 50ml的 1%的明膠溶液，分別加入吉林大學材料科學與工程學院本科生畢業(yè)論文 15 57號燒杯中，用 100ml量筒取 70ml的 1%的明膠溶液加入 8號燒杯中，往 18號燒杯中加入蒸餾水使其都達到 200ml。 打開碳分裝置，其裝置示意圖如圖 1。 圖 碳分裝置示意圖 將 18號設備中的溶液依次加入裝置中 ?，分別記錄它們碳分所用的時間，碳分 結束后進行抽濾、烘干，并把烘干的 18白炭黑裝入對應 18號樣品袋中。 碳分反應裝置① 流量計② 二氧化碳瓶③ 吉林大學材料科學與工程學院本科生畢業(yè)論文 16 圖 不同明膠絮凝劑量下碳粉時間 由上圖可知，隨著明膠用量的增加，碳分所用時間會減少，這是由于明膠量的增加使生成的白炭黑顆粒能更快的凝聚沉淀；但是當絮凝達到50ml以后絮凝效果并不再明顯的增加，這可能是由于明膠的絮凝效果在50ml已達到飽和。 吉林大學材料科學與工程學院本科生畢業(yè)論文 17 圖 不同聚乙二醇絮凝劑量下碳粉時間 由上圖可知，聚乙二醇用量在 30ml時聚凝效果已經(jīng)達到最好，再加入聚乙二醇并不明顯減少絮凝時間。 用 50ml量筒取 20ml硅酸鈉溶液，加入 到 250ml燒杯中，稀釋到 200ml，不加入任何絮凝劑進行碳分，當溶液 PH達到 78時，也即碳分結束時用了90min，比加入絮凝劑的碳粉時間要長很多。把制得的白炭黑抽濾烘干后準入 9號樣品袋。 以上碳分法，全部是把制得的硅酸鈉溶液稀釋 10倍（即 1:10稀釋）來制得白炭黑，現(xiàn)在把硅酸鈉溶液分別按 1: 1： 1： 1： 1:1:40來稀釋，并加入相應比例的絮凝劑進行碳分（如表 ）。 表 不同稀釋比所對應的碳分時間 不同比例 1:3 1:6 1:9 1:20 1:40 硅酸鈉溶液量（ ml） 20 20 20 20 20 吉林大學材料科學與工程學院本科生畢業(yè)論文 18 聚乙二醇絮凝劑（ 1%） 量 3（ ml） 10 10 10 10 10 稀釋后體積(ml) 60 120 180 400 400 碳分時間（ min） 15 23 40 124 160 比例小時，溶液體積小，相應的生成的白炭黑顆粒比較集中，另外絮凝劑的濃度也比較大，白炭黑絮凝比較快，并且絮凝成大片的絮狀。比例大時，溶液體積大，生成的白炭黑顆粒分散，另外絮凝劑的濃度相對也小的多，絮凝的速度非常慢，當達到 1:20和 1:40時，甚至要靜置一個晚上才會絮凝。猜測小比例制得的白炭黑質量 可能會劣于大比例的。把烘干后的白炭黑按比例由小到大裝入 1822號樣品袋中。 鹽酸滴定法制備 鹽酸滴定也是沉淀法的一種，另外還可以用硫酸等其他無機酸來代替鹽酸進行滴定反應。鹽酸的酸度明顯強于碳酸，它與硅酸鈉溶液的反應原理和碳酸基本相同，都是用強酸制備弱酸，但也有不同于碳分法的地方。鹽酸滴定法中不存在氣液兩相反應；鹽酸屬于強酸，反應結束后溶液會有一定的酸性，即 PH會小于 7，而碳分法的 PH通常會大于 8；反應生成的 NaCl起分散 劑作用