酸浸法高鎂爐渣制備白炭黑的研究*

于海蓮，胡 震

（1.四川理工學院材料與化學工程學院，四川自貢 643000；2.精細化工助劑及表面活性劑四川省高校重點實驗室）

長期以來，絕大多數爐渣未得到利用，甚至被廢棄，爐渣一直是各大鋼鐵企業亟待解決的難題［1］。廣西防城港地區的爐渣主要以高鎂爐渣為主，鎂含量過高，嚴重影響到下游產品的安定性，因此，更加嚴重制約了高鎂爐渣的利用［2］。爐渣的大量堆積不僅侵占土地資源，而且對大氣、土壤和水資源造成嚴重的污染，給當地居民的健康帶來極大的潛在危害，因此，對爐渣中的有用資源進行回收利用，是一項利國利民的工作。將爐渣中的硅制備成白炭黑產品，可用于輪胎、硅橡膠、農藥、飼料、涂料、食品、油墨、電池、催化劑載體、電子封填材料等領域，具有廣泛的應用前景，白炭黑具有較高的附加值，可帶來可觀的經濟效益［3-4］。目前，國內外利用高鎂爐渣中硅制備白炭黑的研究僅有一篇報道，林七女等［5］利用高爐渣制備水合二氧化硅，但未系統性考察各因素對水合二氧化硅的影響；另外，蘇毅、黃禮麗等［6-8］在利用黃磷爐渣制備白炭黑上取得了一些研究成果，但原料主要是以黃磷爐渣為研究對象。本研究利用非淬水高鎂爐渣中的主要成分二氧化硅制備白炭黑，為高鎂爐渣的綜合利用開辟了一條新途徑。

1 實驗部分

1.1 實驗原料、試劑與儀器

實驗原料：采用廣西防城港煉鋼爐渣，預先干燥處理，粒度≤250 μm，其主要成分如表1所示。

表1 爐渣主要成分 %

試劑：濃鹽酸，分析純。

儀器：QM-QX10型實驗室球磨機；HH-2型數顯恒溫水浴鍋；SHB-Ⅲ型循環水式真空泵；JHS-1/90型電子恒速攪拌機；DHG-9075A型電熱鼓風干燥箱；S4 Explorer X射線熒光光譜儀；TENSOR27型傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 工藝流程

粉末狀爐渣→用鹽酸酸解→過濾→得到白炭黑粗產品→用蒸餾水充分洗滌→烘干→白炭黑產品。

1.3 實驗方法

1）將球形非淬水高鎂爐渣研磨成粉末狀；2）配制一定濃度的鹽酸溶液，置于水浴鍋中對其進行加熱，向其中加入適量的爐渣粉末，對其不斷攪拌，使其充分溶解和反應；3）對反應溶液進行過濾，收集過濾沉淀，并用蒸餾水對其洗滌，烘干待檢測；4）采用紅外光譜對產品進行定性分析，采用X射線熒光光譜進行純度分析。

1.4 檢測分析

1）傅里葉紅外光譜檢測。實驗條件：采用KBr壓片法，儀器分辨率為4 cm-1，檢測器為MCT，檢測范圍為 400～4000 cm-1。

2）X射線熒光分析。實驗條件：X射線管為75 μm端窗Rh靶光管，真空條件下無標樣檢測原子序數大于6的各種元素及其含量。

2 結果與討論

2.1 樣品的紅外光譜分析

圖1是樣品的紅外光譜圖。由圖1可知，在1088.7 cm-1和468.2 cm-1處出現的兩個峰為 Si—O—Si的伸縮振動和彎曲振動引起的特征吸收峰，可以確定該產品中含有SiO2；在3440.0cm-1處的寬峰是由于樣品中結晶水的—OH伸縮振動，1633.3 cm-1處的吸收峰是由于樣品中結晶水的—OH的彎曲振動，說明產品中含有結晶水。因此，可確定該產品即為白炭黑。

圖1 樣品的紅外光譜圖

2.2 考察各工藝因素對白炭黑制備的影響

2.2.1 鹽酸濃度對白炭黑產量的影響

工藝條件：20 g粉末爐渣，反應時間為1.5 h，反應溫度為65℃，洗滌次數為6次。考察不同濃度的鹽酸對白炭黑產量的影響，其實驗結果如圖2所示。

圖2 鹽酸濃度對白炭黑產量的影響

由圖2可知，當鹽酸濃度小于4.0 mol/L時，白炭黑產量隨鹽酸濃度的增大而減小；而當鹽酸濃度大于4.0 mol/L時，白炭黑的產量隨鹽酸濃度的增大而增大。這是因為在鹽酸酸解非淬水高鎂爐渣反應中，該反應體系是一個放熱反應，鹽酸的濃度越大，活化分子的數目將增加，反應速率將加快，生成的膠體包覆在未反應的顆粒表面，阻止了爐渣顆粒進一步反應，所以，白炭黑的產量減小；但當鹽酸的濃度達到一定量時，反應液的固液比相對較大，生成物將由離子態向結晶形態轉化，有利于反應朝正反應方向進行，所以白炭黑的產量增大。考慮到鹽酸濃度較低時，反應速率較低，反應所需時間較長，因此，鹽酸濃度選擇4.0 mol/L為宜。

2.2.2 反應溫度對白炭黑產量的影響

工藝條件：20 g粉末爐渣，鹽酸濃度為4.0 mol/L，反應時間為1.5 h，去離子水洗滌6次。考察不同反應溫度對白炭黑產量的影響，其實驗結果如圖3所示。由圖3可知，溫度低于55℃時，白炭黑產量隨溫度的升高而減小；當溫度高于55℃后，溫度升高，白炭黑產量趨于穩定。這是因為溫度升高，體系的反應速率增大，同時該反應是一個放熱反應，因此，隨著溫度的升高，加速了反應體系中HCl的揮發，鹽酸的量將減少，導致白炭黑的產量降低；而溫度高于55℃時，反應溫度較高，反應在較短的時間內完成，鹽酸的揮發量雖有所降低，但是生成的膠體快速地包覆在未反應的顆粒表面，阻止了爐渣顆粒進一步反應，而且生成的產物會向四周擴散，不利于聚集，所以，白炭黑的產量幾乎趨于平穩。雖然溫度低于55℃時，產率較高，但是反應的速率較低，因此，綜合考慮，反應溫度選擇55℃為宜。

圖3 反應溫度對白炭黑產量的影響

2.2.3 反應時間對白炭黑產量的影響

工藝條件：20 g粉末爐渣，鹽酸濃度為4.0 mol/L，溫度為55℃，洗滌6次。考察不同反應時間對白炭黑產量的影響，其實驗結果如圖4所示。

圖4 反應時間對白炭黑產量的影響

由圖4可知，隨著反應時間的不斷延長，白炭黑產量不斷增大，主要是由于反應時間長，反應物得到充分反應，反應比較徹底。但是，隨著反應時間的延長，生成的白炭黑不斷地向四周進行擴散和溶解，不利于聚集，也會導致少量的產物損失，因此，當反應時間超過2.5 h以后，白炭黑的產量幾乎不再增加。故反應時間應選擇2.5 h為宜。

2.2.4 去離子水洗滌次數對白炭黑產量的影響

工藝條件：20 g粉末爐渣，鹽酸濃度為4.0 mol/L，溫度為55℃，反應時間為2.5 h。考察洗滌次數對白炭黑產量的影響，其實驗結果如圖5所示。由圖5可知，白炭黑的產量隨著去離子水洗滌次數的增加先快速降低后趨于平穩。這是因為，產品在不斷洗滌的過程中會有部分白炭黑溶解在去離子水中，導致了部分產品損失，同時，產品中的雜質也會充分溶解在去離子水里，所以，產量開始明顯減少。當洗滌次數少于6次時，白炭黑的純度較低。當洗滌次數超過6次以后，產量趨于平穩，主要是由于產品中的絕大多數雜質被洗滌掉，產品剩下的顆粒稍大一些，溶解度較低，此時產品的純度也較高，能達到90.2%以上，此時白炭黑的產量為10.90 g。因此，白炭黑洗滌次數選擇6次為宜。

圖5 洗滌次數對白炭黑產量的影響

3 結論

探討了采用鹽酸酸解非淬水高鎂爐渣制備白炭黑產品工藝的可行性。得到了白炭黑制備最佳工藝條件：鹽酸濃度為4.0 mol/L，反應溫度為55℃，反應時間為2.5h，洗滌次數為6次。在該工藝條件下白炭黑的產量為10.90g，白炭黑產品純度達到90.2%。

［1］遠忠森.高鎂爐渣性能研究進展［D］.長沙：中南工業大學，1984.

［2］侯新凱，徐德龍，薛博，等.鋼渣引起水泥體積安定性問題的探討［J］.建筑材料學報， 2012，15（5）：588-595.

［3］朱春雨.我國沉淀法白炭黑市場現狀及發展趨勢［J］.橡膠科技市場，2011（6）：2-9.

［4］方明，王愛琴，謝敬佩，等.電子封裝材料的研究現狀及發展［J］.熱加工工藝，2011， 40（4）：84-87.

［5］林七女，李志峰，管山吉，等.利用高爐渣生產水合二氧化硅的研究［J］.中國資源綜合利用，2010，28（6）：33-35.

［6］蘇毅，李國斌，夏舉佩.磷酸浸取黃磷爐渣制沉淀二氧化硅的研究［J］.無機鹽工業，2007， 39（11）： 41-44.

［7］蘇毅，李國斌，夏舉佩，等.黃磷爐渣資源化的試驗研究［J］.礦冶，2008，17（1）： 26-29.

［8］黃禮麗，何登良，鄧啟華，等.鹽酸浸取黃磷爐渣制備白炭黑［J］.綿陽師范學院學報， 2010，29（2）：63-68.