[发明专利]一种利用碳酸氢钠控制过饱和度生产沉淀二氧化硅的方法

说明书

技术领域

本发明属于沉淀二氧化硅生产领域，特别涉及一种利用硅酸钠溶液和碳酸氢钠溶液反应，通过碳酸氢钠溶液控制过饱和度，结晶制备沉淀二氧化硅的方法。

背景技术

沉淀二氧化硅俗称白炭黑，又名水合二氧化硅，分子式为SiO₂·nH₂O，是一种白色、无毒、无定形的超微细粉体，具有多孔性、高分散性、质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧和电绝缘性好等优异性能。白炭黑是一种重要的无机化工原料，广泛应用于橡胶、塑料、涂料、造纸、医药、农药及日用化工等领域。目前全世界70%的白炭黑用于橡胶工业，是一种性能优良的橡胶补强剂。

白炭黑的生产方法有干法和湿法两种。干法包括气相法和电弧法，湿法包括沉淀法和凝胶法，其中气相法和沉淀法在国内外白炭黑生产中占据主导地位。气相法多以SiCl₄为原料，制得的产品纯度高，分散度好，粒子细且呈球形，具有优异的补强性能。但由于原料昂贵，生产过程能耗高且技术复杂，使得气相法在工业中的应用受到限制。传统沉淀法以水玻璃为原料，通过无机酸酸化制备白炭黑，工业上多使用硫酸酸化。与气相法相比，沉淀法原料易得，生产过程能耗低，流程简单，但是制得的产品质量较低，并且生产过程中有大量的硫酸钠污水产生。

目前，一些研究工作者对传统沉淀法技术进行了改进。例如，文献Quang,D.V.;Kim,J.-K.;Park,J.-K.;Park,S.-H.;Elineema,G.;Sarawade,P.B.;Kim,H.T.,Effect of the gelation on the properties of precipitated silica powder produced by acidizing sodium silicate solution at the pilot scale.Chemical Engineering Journal2012,209,531-536.报导了一种白炭黑的生产方法。该方法以水玻璃和硫酸为原料，在传统工艺的基础上，通过两步加酸控制凝胶化过程，再利用喷雾干燥技术将二氧化硅水合物干燥，得到白炭黑产品。利用该方法得到的白炭黑粒度分布均匀，具有较高的比表面积和孔体积，但是并未解决硫酸钠污水问题，这不仅造成水资源和可利用硫酸钠资源的浪费，还产生严重的环境污染。

专利CN201110026112.0公开了一种用二氧化碳分解法制备沉淀法白炭黑的工艺。该方法以二氧化碳作为沉淀剂，通入到工业硅酸钠溶液中，获得沉淀法白炭黑，而沉淀后溶液可制成高附加值的碳酸钠产品，从而消除污水排放。专利CN200710062197.1公开了一种二次碳分制备白炭黑的方法，先后两次向硅酸钠溶液中通入CO₂气体，调整溶液pH值，实现两次固液分离，剩余的碳酸钠溶液经苛化浓缩后制成氢氧化钠溶液。专利CN201110267981.2以微硅粉为原料，通过碳化法合成白炭黑，实现了工业废弃物的资源化利用。专利CN201110267968.7提出以微硅粉为原料，通过氢氧化钠热碱法制成水玻璃，再以二氧化碳进行碳化反应，在碳化过滤后的碳酸钠残液中加入氢氧化钙以进行苛化反应，即形成了制备白炭黑联产碳酸钙技术。这些碳化技术均避免了大量污水难处理的问题，但由于气液反应时间长，转化率低，并且CO₂气体在硅酸钠溶液中的传质过程复杂，难以进行有效控制，从而导致获得的沉淀粒度分布不均匀，纯度不高，影响产品的工业应用。

专利CN00132275.3和专利CN02132723.8提出在超重力反应器中进行碳化反应的方法，超重力环境强化了气液传质过程，从而提高了生产效率，缩短了生产周期。但上述二氧化碳沉淀法均以工业级硅酸钠为原料，要求使用纯度较高的硅酸钠溶液，而当原料杂质含量较高时，无法生产出合格的白炭黑产品。

专利CN200810048295.4和专利CN201110078760.0使用了氨化沉淀法，将水玻璃同碳酸氢铵溶液反应制得白炭黑，生产过程中产生的气体及滤液经回收循环利用，实现了原料的高效利用。然而，碳酸氢铵溶液性质不稳定，在36℃以上易分解而释放出CO₂和NH₃，沉淀过程不易控制，使得沉淀反应的效率较低，产品粒度分布不均。另一方面，碳酸氢铵和氨水均有刺激性气味及腐蚀性，危害人体健康，腐蚀设备。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种利用碳酸氢钠溶液控制过饱和度，结晶制备沉淀二氧化硅的方法，得到的沉淀二氧化硅产品纯度高，粒度分布均匀，且整个生产流程物料循环利用，无废液产生。