[发明专利]一种电石渣铁与酸反应生产聚硅烷/硅氧烯和硅铁的方法

说明书

本发明提供了一种同时获得聚硅烷/硅氧烯和硅铁的方法，属于废弃物综合利用领域。该方法主要包括以下步骤：将电石生产中副产的电石渣铁与含卤素酸性溶液在‑35～70℃混合反应，将其中的硅钙转化为黄色粉末状的聚硅烷/硅氧烯，剩余物为黑色的硅铁。依据密度差将黄色粉末和黑色残渣分离，经洗涤、干燥得到黄色的聚硅烷/硅氧烯和黑色的硅铁。本发明提供的方法同时获得高价值的聚硅烷/硅氧烯和较高纯度的硅铁，实现了电石渣铁的高价值利用，具有广阔的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及一种电石渣铁的综合利用方法，具体涉及酸处理电石渣铁和固体产物的分离。

背景技术

生产电石的原料焦炭和氧化钙一般含有二氧化硅、氧化铁等杂质。在生产电石的高温反应条件下这些杂质和钙生成渣铁。电石渣铁又称为电石铁、电石硅铁或电石矽铁，主要成分是硅钙(CaSi₂)、硅铁(Fe-Si)和其它金属(镁、铝和钛)形成的合金(或混合物)。硅铁的质量分数一般在50％以上，钙的质量分数在1-20％之间。在电石与水反应产生乙炔和氢氧化钙的过程中，电石渣铁不发生变化，且由于其粒度和密度较大，沉积在渣浆底部。2016年中国生产电石约2730万吨，副产的电石渣铁量约为27-110万吨(为电石产量的1-4wt％)。目前，电石渣铁主要作为炼铁的原料或部分代替硅铁，但由于其是多种物质的合金(或混合物)，应用价值不高。

众多报道表明，硅钙与盐酸会发生拓扑反应生成黄色粉末状的聚硅烷(polysilane)或硅氧烯(siloxene)。反应温度低于-20℃得到的主要是聚硅烷(Si₆H₆)，反应温度高于-20℃时，聚硅烷会水解生成含氧的硅氧烯(Si₆H_3-x(OH)_3+x，0≤x≤3)，反应温度越高、反应时间越长，其氧含量越高。

聚硅烷和硅氧烯均可与有机物反应制备有机硅材料，或解离成二维纳米硅平面材料。相比于块状硅材料，二维纳米硅平面材料具有特殊的表面官能团和量子效应，在催化、电极、半导体、光伏和锂离子电池材料等方面均有应用。

硅铁不与盐酸等含卤素酸反应。聚硅烷和硅氧烯的密度约为1.8g/cm³，硅铁的密度一般大于3.3g/cm³，二者可通过密度差来分离。

发明内容

本发明是基于发明人的以下研究工作完成的：

含钙的电石渣铁可以与盐酸、氢溴酸、氢碘酸和高氯酸等含卤素酸溶液反应生成聚硅烷或者硅氧烯。过程中硅钙的转化率在90％以上，铝和镁化合物溶解在酸溶液中。硅铁不参与反应，所以其纯度提高。由电石渣铁制备的聚硅烷/硅氧烯和使用商业硅钙制备的聚硅烷/硅氧烯具有相同的组成和性质，但聚硅烷/硅氧烯的粒径更小。鉴于以上研究，本发明的目的在于提供一种电石渣铁与酸反应生产聚硅烷/硅氧烯和硅铁的方法，实现电石渣铁高价值利用。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

一种电石渣铁与酸反应生产聚硅烷/硅氧烯和硅铁的方法，包括以下步骤：

将电石渣铁与酸溶液在无氧气的气氛下反应，得到黄色粉状聚硅烷/硅氧烯与黑色颗粒状硅铁，经分离、洗涤、干燥，得到产品。

优选地，所述电石渣铁可从电石或电石渣中得到。

优选地，电石渣铁可直接利用，也可破碎至20mm以下利用。更优选为破碎至10mm以下利用。

优选地，酸溶液可以是盐酸、氢溴酸、氢碘酸和高氯酸等含卤素酸中的一种或多种的混合液。

优选地，反应温度为-35～-20℃，反应时间为10～200h，所得黄色粉末为聚硅烷，其组成为Si₆H₆。