CN102936016A - 利用煤矸石提铝废渣制备可溶性硅酸钠的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用煤矸石提铝废渣制备可溶性硅酸钠方法。该方法首先将煤矸石提铝后的废渣与碳酸钠混合研磨成1~50μm的颗粒，然后在马弗炉中进行程序升温，在500~850℃低温共熔反应1~5小时后，水淬,得到粗硅酸钠固体。将上述粗硅酸钠固体置于高压反应釜中，加入蒸馏水，升温至150℃，搅拌溶解5小时后，将温度降至室温，过滤分离，得到无色透明的硅酸钠溶液结晶后即为可溶性硅酸钠。该方法不仅将传统纯碱法制备水玻璃的温度降低了600℃左右，极大地降低了能耗，同时也避免了传统烧碱碱溶法对生产设备的强腐蚀以及对环境产生的碱污染。
Description
技术领域
本发明涉及硅酸钠的制备，具体属于一种利用煤矸石提铝废渣制备可溶性硅酸钠的方法。
背景技术
以煤矸石、高岭土或粉煤灰等为原料制备聚合氯化铝或硫酸铝时，会产生大量的废渣，废渣中含有大量的二氧化硅，如果不能进行有效综合利用，必然导致生产成本增大和二次环境污染。
可溶性硅酸钠用途广泛，归纳起来主要有以下几个方面：（1）工业原材料：可用于制备硅溶胶、硅胶、沉淀二氧化硅、沸石、铝矽酸盐、硅酸镁、合成粘土、水泥或催化剂等；（2）去垢剂：作为织物洗涤粉、餐具洗涤剂和工业清洗剂；（3）粘合剂：可用作纸板、型煤、屋面瓦、砖和水泥、耐火胶粘材料、石膏与灰泥和焊条等的粘合剂；（4）表面涂层：可用于TiO2产品、混凝土、砖瓦或玻璃表面、防火玻璃以及隧道建筑喷涂等；（5）纸浆和造纸的脱墨和漂白；（6）水处理***的防腐剂。
目前，工业上制备硅酸钠（水玻璃）的主要方法是将石英砂和碳酸钠（或碳酸钾）在高温炉中1100-1450℃熔融，然后将得到的水玻璃碎块在100℃常压下水溶，或在高压蒸汽灭菌器中150℃水溶。也可以采用水热法，即在200℃和20bar的压力下于高压蒸汽灭菌器中熔融沙子和氢氧化钠或氢氧化钾，直接制得硅酸盐水溶液。Yi Ding等人在利用硅酸钠制备介孔二氧化硅SBA-15纳米棒时，采用石英粉（350目）和碳酸钠混合物于1450℃熔融反应得到固体硅酸钠，然后在高压反应釜中水溶得到硅酸钠溶液。
专利200610016584.7报道的一种白炭黑制备方法中，硅酸钠的制备是以二氧化硅粉和碳酸氢钠按摩尔比1:1~2，在1150-1650℃高温下煅烧。过高的煅烧温度不仅对设备要求高，而且能耗增大。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够降低能耗、减少污染的利用煤矸石提铝废渣制备硅酸钠的方法。
本发明提供的一种利用煤矸石提铝废渣制备可溶性硅酸钠的方法，步骤包括：先将煤矸石提铝后的废渣与碳酸钠按废渣中二氧化硅与碳酸钠的摩尔比1:0.3~1混合，研磨成1~50μm的颗粒，然后在马弗炉中程序升温至500~850℃焙烧1~5小时，迅速转移至沸水中进行水淬，得到粗硅酸钠固体；将上述粗硅酸钠固体置于高压反应釜中，加入相当于废渣重量400-600倍的蒸馏水，搅拌，升温至150℃，溶解5小时后，将温度降至室温，过滤分离，得到无色透明的硅酸钠溶液和滤渣；将硅酸钠溶液结晶后得到可溶性硅酸钠。
本发明提供的一种利用煤矸石提铝废渣制备可溶性硅酸钠的方法，步骤包括：先将煤矸石提铝后的废渣与碳酸钠、氯化钠按废渣中二氧化硅与碳酸钠、氯化钠的摩尔比1:0.3~1:0.005~0.05混合，研磨成1~50μm的颗粒，然后在马弗炉中程序升温至500~850℃焙烧1~5小时，迅速转移至沸水中进行水淬，得到粗硅酸钠固体；将上述粗硅酸钠固体置于高压反应釜中，加入相当于废渣重量400-600倍的蒸馏水，搅拌，升温至150℃，溶解5小时后，将温度降至室温，过滤分离，得到无色透明的硅酸钠溶液和滤渣；将硅酸钠溶液结晶后得到可溶性硅酸钠。
以上焙烧时所产生的二氧化碳可通过净化回收用于碳化法制备白炭黑。焙烧后未溶解的微量滤渣可用于高强度煤矸石免烧砖的制备。
所述的煤矸石提铝废渣可以用粉煤灰、高岭土或铝矾土提铝废渣代替。
所述的碳酸钠可用碳酸钾代替，所述的氯化钠可用氯化钾或氟化钠代替。
与现有技术相比本发明的优点和效果：本发明利用相平衡原理，控制煤矸石提铝废渣和碳酸钠（或碳酸钾）的配比和粒度，使二者均匀混合后在低共熔温度下（500~850℃）发生熔融反应，形成可溶性硅酸钠，硅提取率达到90%以上。该方法不仅将传统纯碱法制备水玻璃的温度降低了600℃左右，极大地降低了能耗，同时也避免了传统烧碱碱溶法对生产设备的强腐蚀以及对环境产生的碱污染。此外，焙烧产生的二氧化碳气体可以回收利用，焙烧后未溶解的微量残渣可用于高强度煤矸石免烧砖的制备，整个工艺处于一个闭路循环中，是一种环境友好的废渣高效利用方案。
附图说明
图1与实施例1相同工艺条件下的热重差热验证分析结果图
图2与实施例2相同工艺条件下的热重差热验证分析结果图
图3与实施例3相同工艺条件下的热重差热验证分析结果图
图4与实施例4相同工艺条件下的热重差热验证分析结果图
图5实施例1和4制备的产品溶解结晶固体及滤渣的红外光谱对比图，
图中：a.表示实施例1溶解滤渣的红外光谱线，b.表示实施例1溶解液结晶固体产品的红外光谱线，c.表示实施例4溶解滤渣的红外光谱线，d.表示实施例4溶解液结晶固体产品的红外光谱线
具体实施方式
原料准备：
由煤矸石提铝后的废渣（硅渣），干燥至恒重备用（各组分含量见附表1）。
表1原料废渣的成份分析表
实施例1
称取100g硅渣和碳酸钠110g在球磨机中混合研磨成5μm左右的颗粒，置于马弗炉中程序升温，升温速率：0-500℃之间为10℃/min；500-850℃为2℃/min；850℃恒温3小时后停止，迅速置于沸水中进行水淬，得到粗硅酸钠固体。将上述粗硅酸钠固体置于1升的高压反应釜中，加入500毫升蒸馏水，升温至150℃，搅拌溶解5小时后，将温度降至室温，过滤分离，得到无色透明的硅酸钠溶液和滤渣，将硅酸钠溶液蒸发结晶得硅酸钠产品。采用ICP分别对硅酸钠溶液、滤渣和硅酸钠产品测定其硅含量及杂质含量（表2）。相同工艺条件下热重差热验证分析结果如图1、滤渣的红外光谱分析结果如图5（a），硅酸钠溶液结晶后样品的红外光谱分析结果如图5（b），硅酸钠溶解率为92.4%。
表2产物成份分析表
从图1差热分析可知，混合物在大约500℃开始发生固固反应，释放出二氧化碳气体，图中出现明显失重，说明还未达到共熔点就已经开始发生反应。到800℃左右不再失重，但是由图中DSC曲线的吸热峰看出，熔融反应仍在进行，熔融温度812℃；从图5中a、b线可以看出，经过反应、水淬、溶解分离后的杂质几乎全部存在于滤渣中，所得到的硅酸钠溶液和将硅酸钠溶液浓缩结晶后的固体硅酸钠产品的纯度达到99.7%，产品溶解后结晶硅酸钠固体的红外光谱，具有硅酸钠的特征峰。滤渣的红外光谱图中，1020cm-1处的峰可归属于Si-O-Al键，滤渣中的杂质铝主要是在高温下与硅、钛形成了硅铝酸钠和钛铝酸钠等不溶于水的复合物。
实施例2
称取100g硅渣和碳酸钠70g混合研磨，其余条件同实施例1，采用ICP对硅酸钠溶液和滤渣（碱溶法）等分别测定其硅含量及杂质含量（表3）。相同工艺条件下对比的热重差热分析结果如图2、硅酸钠溶解率为90.0%。
表3产物成份分析表
从差热分析可知（见图2），热重分析结果同实施例1，DSC曲线可以得到熔融温度805℃。
实施例3
称取100g硅渣和碳酸钠164g混合研磨，其余条件同实施例1。采用ICP对硅酸钠溶液和滤渣（碱溶法）等分别测定其硅含量及杂质含量（表3）。相同工艺条件下对比的热重差热分析结果如图3、硅酸钠溶解率为90.2%。
从差热分析可知（见图3），热重分析结果同实施例1，DSC曲线可以得到熔融温度829℃。
实施例4
称取100g硅渣和碳酸钠110g氯化钠1g混合研磨成5μm左右的颗粒，设定马弗炉中程序升温,升温速率：0-500℃之间为10℃/min；500-850℃为2℃/min；850℃恒温3小时后停止，迅速置于沸水中进行水淬，得到粗硅酸钠固体。将上述粗硅酸钠固体置于1升的高压反应釜中，加入500毫升蒸馏水，升温至150℃，搅拌溶解5小时后，将温度降至室温，过滤分离，得到无色透明的硅酸钠溶液和滤渣。相同工艺条件下对比的热重差热分析结果如图4、滤渣的红外光谱分析结果如图5中c线，硅酸钠溶液结晶后样品的红外光谱分析结果如图5中的d线，硅酸钠溶解率为89.5%。
从图4的差热分析可知，热重分析结果同实施例1，DSC曲线可以得到熔融温度780℃,加助剂NaCl后熔融温度由812℃降低至780℃。
比较实施例
同实施例1取相同配比的混合物（称取100g硅渣和碳酸钠100g混合研磨成5μm左右的颗粒），改变其马弗炉中升温程序，设定程序升温,升温速率：0-500℃之间为10℃/min；500-850℃为5℃/min；850-1400℃为2℃/min，1400℃恒温3小时后停止，硅酸钠溶解率为54.6%。
经过比较可以看出，在低共熔温度下（500~850℃）发生熔融反应形成可溶性硅酸钠，硅酸钠溶解率达到90%以上。在高温共熔温度下（1100~1400℃）发生熔融反应，形成可溶性硅酸钠，硅酸钠溶解率仅54.6%以上。该方法不仅将传统纯碱法制备水玻璃的温度降低了600℃左右，极大地降低了能耗，同时也避免了传统烧碱碱溶法对生产设备的强腐蚀以及对环境产生的碱污染。是一种环境友好的废渣高效利用方法。
Claims (5)
1.一种利用煤矸石提铝废渣制备可溶性硅酸钠的方法，其特征在于，步骤包括：先将煤矸石提铝后的废渣与碳酸钠按废渣中二氧化硅与碳酸钠的摩尔比1:0.3~1混合，研磨成1~50μm的颗粒，然后在马弗炉中程序升温至500~850℃焙烧1~5小时，迅速转移至沸水中进行水淬，得到粗硅酸钠固体；将上述粗硅酸钠固体置于高压反应釜中，加入蒸馏水搅拌，升温至150℃，溶解5小时后，将温度降至室温，过滤分离，将硅酸钠溶液结晶后得到可溶性硅酸钠。
2.一种利用煤矸石提铝废渣制备可溶性硅酸钠的方法，其特征在于，步骤包括：先将煤矸石提铝后的废渣与碳酸钠、氯化钠按废渣中二氧化硅与碳酸钠、氯化钠的摩尔比1:0.3~1:0.005~0.05混合，研磨成1~50μm的颗粒，然后在马弗炉中程序升温至500~850℃焙烧1~5小时，迅速转移至沸水中进行水淬，得到粗硅酸钠固体；将上述粗硅酸钠固体置于高压反应釜中，加入蒸馏水搅拌，升温至150℃，溶解5小时后，将温度降至室温，过滤分离，将硅酸钠溶液结晶后得到可溶性硅酸钠。
3.如权利要求1或2所述的一种利用煤矸石提铝废渣制备可溶性硅酸钠的方法，其特征在于所述的煤矸石用粉煤灰、高岭土或铝矾土代替。
4.如权利要求1或2所述的一种利用煤矸石提铝废渣制备可溶性硅酸钠的方法，其特征在于所述的碳酸钠用碳酸钾代替。
5.如权利要求1或2所述的一种利用煤矸石提铝废渣制备可溶性硅酸钠的方法，其特征在于所述的氯化钠用氯化钾或氟化钠代替。
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