[发明专利]一种煤矸石制备纳米白炭黑的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矸石制备纳米白炭黑的方法，属于煤化工技术领域。

背景技术

白炭黑具有粒径小、比表面积大、易形成高结构的聚集体等特性，主要用作橡胶的补强填充剂；在非橡胶领域，如合成树脂、塑料和涂料等行业也有着广泛的应用。纳米白炭黑具有粒径小(小于100nm)、比表面积大(一般大于100m²/g)、化学纯度高、分散性能好等特征，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性而在橡胶、涂料、医药、造纸等诸多工业领域得到广泛应用，并为其相关工业领域的发展提供了新材料基础和技术保证，纳米二氧化硅广泛应用于各个领域。涂料中加入纳米二氧化硅，可提供防结块、防流挂、增稠消光等功能；在塑料中加入纳米二氧化硅，可提高薄膜的透明度、韧性、强度，防水性能等。粘结剂和密封胶中添加纳米二氧化硅，可迅速形成网络状硅石结构，抑制胶体流动，固化速率加快，提高粘结效果。在医药、农药中，可起到增稠、悬浮、载体的作用。最新研究成果表明：在聚合物体系中引入纳米二氧化硅能显示出一系列令人称道的光学性能和力学性能。享有“工业味精”、“材料科学的原点”之美誉。目前，纳米白炭黑主要以四氯化硅为原料采用气相法生产，气相法生产的白炭黑纯度高、粒径和灼烧损失小，但原材料贵、生产成本高。煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。其主要成分是Al₂O₃、SiO₂，是一种急需进一步开发利用的资源，它的大量堆积不仅浪费了资源，还严重的影响了环境。目前，已有技术将煤矸石作为原料制取白炭黑，其主要采用沉淀法，第一步先制备硅酸钠，第二步再沉淀法制备活性白炭黑。该方法生产的产品的粒径较大，无法达到纳米级别，并且产品活性和吸附能力较小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有方法制备纳米白炭黑工艺原材料贵、生产成本高的缺点，改进已有技术将煤矸石作为原料制取白炭黑的工艺，而提供一种煤矸石为原料气相-水解法制取纳米白炭黑产品的方法。

本发明以煤矸石为原料，通过高温活化、硝酸溶解、灼烧等把二氧化硅提取出来。提取出来的二氧化硅，通过用浓硫酸和氟化钠反应产生氟化氢，对它进行腐蚀，产生四氟化硅气体，通过控制四氟化硅气体与溶有表面活性剂的水溶液发生反应，生成硅凝胶，然后经过清洗、干燥、灼烧去水，生产出所需要的纳米白炭黑产品。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种煤矸石制备纳米白碳黑的方法，包括下列步骤：

1)将煤矸石在700～1000℃下煅烧活化2～4小时，再将所得煤矸石研磨得到60～100目煤矸石粉；

2)将第1步得到的煤矸石粉与3～5mol/L硝酸溶液进行酸浸溶解，并连续搅拌1～2个小时；其中，煤矸石粉与硝酸溶液的质量比为1∶5～15；

3)将第2步所得酸浸后的煤矸石粉固液分离后，对固体采用60℃～80℃的蒸馏水洗涤至PH值至6～8，再在真空干燥箱中干燥6～8个小时；

4)将第3步所得干燥后的固体与氟化钠在密闭环境下按质量比1∶0.5～1混合，加热至100～150℃，保持该温度滴加浓硫酸，控制滴加速度每分钟1～2滴，反应产生混合气体通入浓硫酸中干燥，干燥后气体再导入分散剂溶液中，在60～100℃下进行水解处理3～10h，水解同时采用磁力搅拌器不断搅拌，并通过滴加氨水，使水解溶液pH值保持在3～5范围以内进行水解反应；

5)将第4步所得的水解溶液在40～60℃恒温条件下陈化12～24h，对陈化后得到的凝胶进行抽滤，再采用60℃～80℃的蒸馏水先洗涤至PH值为6～8，再用无水乙醇洗涤至凝胶的电导率在50μs以内，然后在60～100℃的条件下干燥1～5h，再在400～600℃的条件下高温灼烧1～3h，得到纳米白炭黑产品。

所述的分散剂溶液为5～30g/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液、5～30g/L的十二烷基磺酸钠溶液和5～30g/L的十二烷基硫酸钠溶液中的一种或二种以上任意比例混合的混合物。

有益效果