超聲波制備氧化硅的研究畢業(yè)論文

1、. . . . 本科畢業(yè)論文超聲波制備氧化硅的研究ULTRASONIC PREPARATION OF OXIDIZED SILICON學(xué)院（部）：材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級： 無機(jī)非金屬材料工程08-2班 學(xué)生： 智 指導(dǎo)教師： 林 義（副教授） 2012年5 月31日28 / 32超聲波制備氧化硅的研究摘要煤矸石是采煤和洗煤過程中產(chǎn)生的含碳量低、灰分高的固體廢棄物，既占地又污染環(huán)境。根據(jù)煤矸石含硅量較大的特點，用煤矸石為原料，經(jīng)堿溶后將煤矸石中不具活性的硅分解，得到水玻璃，再用鹽酸沉析得到白炭黑。本實驗通過在不同溫度點和保溫時間下煅燒煤矸石和純堿混合物來比較硅的轉(zhuǎn)化率。關(guān)鍵詞：超聲波，氧化

2、硅，煤矸石，煅燒時間，煅燒溫度ULTRASONIC PREPARATION OF OXIDIZED SILICONABSTRACTCoal gangue is low carbon content and the high ash content of solid waste in the coal mining and coal washing  process , both area and pollute the environment. Accor

3、ding to the characteristics of the silicon content of coal gangue, use coal gangue as raw material, silica extracted by alkali fusion, to get the water glass, and then hydrochloric acid precipitation of silica. Through this experiment in different tempera

4、ture and heat preservation time of calcined coal gangue and soda ash mixture to compare the conversion rate of silicon.KEYWORDS：ultrasonic wave, silicon oxide，coal gangue，calcining time , calcining temperature目錄摘要IABSTRACTII緒論11文獻(xiàn)綜述21.1水合氧化硅的性質(zhì)與用途21.1.1水合氧化硅的性質(zhì)21.1.2水合氧化硅的用途21.2水合氧化硅的制備方法31.3煤矸石的性質(zhì)8

5、1.4煤矸石制備水合氧化硅的方法與原理111.5超聲波在粉體制備中的作用132 煤矸石性能研究152.1化學(xué)組成152.2物相組成152.3熱分析163 試驗設(shè)計183.1工藝流程183.2煅燒工藝制度183.3浸取、過濾、轉(zhuǎn)化、干燥、超聲波處理203.4性能檢測204試驗結(jié)果與分析214.1不同溫度點化學(xué)反應(yīng)分析214.2產(chǎn)率分析214.3激光粒度分析224.4物相分析234.5紅外光譜分析234.6掃描電鏡分析245結(jié)論26參考文獻(xiàn)27辭28緒論我國的煤炭資源非常豐富。隨著我國煤炭生產(chǎn)的不斷發(fā)展，煤矸石的排出量不斷增加。煤矸石是采煤和洗煤過程中產(chǎn)生的含碳量低、灰分高的固體廢棄物，既占地又污

6、染環(huán)境，約占煤產(chǎn)量的15%，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤矸石廢棄物與日俱增，其累計堆積量已經(jīng)超過30億噸，目前以每年約1.5億噸的速度增長，是我國排放量最大的固體廢棄物之一。近幾年來，我國已經(jīng)在煤矸石資源化綜合利用方面做了大量工作，但普遍存在效率低下和二次污染問題，煤矸石的高附加值綜合利用仍然是今后研究的重點。白炭黑是炭黑的代用品,是微細(xì)粉末狀或超細(xì)粒子狀無水與含水二氧化硅或硅酸鹽類的通稱,平時所稱的白炭黑為水合硅酸() ,其含量較大( > 90 %) ,原始粒徑一般為1040nm ,因表面含有較多的羥基,易吸水而成為聚集的細(xì)粒。白炭黑熔點1750,不溶于水和酸,溶于強(qiáng)堿和氫氟酸。它的化學(xué)穩(wěn)定

7、性好,耐高溫、不燃燒,表面積大,電絕緣性強(qiáng)。它在化工、輕工等行業(yè)中應(yīng)用廣泛,如橡膠、塑料、造紙、涂料、化妝品、油墨、牙膏與農(nóng)藥等等。最大用途是橡膠的補強(qiáng)填料,用量占總產(chǎn)量的75 %以上。近年來，超聲波作為一種新技術(shù)，以其獨特的微流射效應(yīng)和空化沖擊波效應(yīng)廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域研究證明：超聲波的空化作用和傳統(tǒng)的攪拌技術(shù)相比更易實現(xiàn)介觀均勻混合，消除局部濃度不勻，提高反應(yīng)速度，促進(jìn)新相的形成，并對團(tuán)聚體還可起剪切破碎作用，超聲波的這些特點決定了其在超細(xì)粉體制備中的獨特作用與廣闊的應(yīng)用前景超聲波技術(shù)已成為制備納米和超微粒子的有效手段。本文研究了以煤矸石為原料，用堿熔法提出水玻璃,制取白炭黑的生產(chǎn)工藝和機(jī)理

8、與在煅燒的不同溫度點和保溫時間下分析硅的轉(zhuǎn)化率。1文獻(xiàn)綜述1.1水合氧化硅的性質(zhì)與用途1.1.1水合氧化硅的性質(zhì)水合氧化硅，又稱白炭黑，白炭黑是微細(xì)粉末狀或超細(xì)粒子狀無水與含水二氧化硅或硅酸鹽類的通稱。平時所稱的白炭黑為水合二氧化硅()，高純者含量達(dá)99.8% ，質(zhì)輕，原始顆粒粒徑一般小于0.0003 mm，密度在2.3192.653 t/m 之間，熔點是1750 白炭黑的化學(xué)穩(wěn)定性好，受高溫不易分解、不燃燒、比表面積大、電絕緣性強(qiáng)，具有很高的多孔性、吸水性，有很好的補強(qiáng)和增黏作用、良好的分散性、懸浮和振動液化特性。白炭黑是白色粉末狀X-射線無定形硅酸和硅酸鹽產(chǎn)品的總稱，主要是指沉淀二氧化硅、

9、氣相二氧化硅、超細(xì)二氧化硅凝膠和氣凝膠，也包括粉末狀合成硅酸鋁和硅酸鈣等。白炭黑是多孔性物質(zhì)，其組成可用表示，其中是以表面羥基的形式存在。能溶于苛性堿和氫氟酸，不溶于水、溶劑和酸（氫氟酸除外）。耐高溫、不燃、無味、無嗅、具有很好的電絕緣性。1.1.2水合氧化硅的用途水合氧化硅的用途很廣，且不同產(chǎn)品具有不同的用途。（?。┌滋亢谠谙鹉z工業(yè)中的應(yīng)用白炭黑能大幅提高膠料的物理性能、減少膠料滯后、降低輪胎的滾動阻力，同時不損失其抗?jié)窕浴Ｔ谙鹉z工業(yè)中，炭黑是很有效的補強(qiáng)劑，但其最大的缺點是不能用于制備彩色制品，氣相法白炭黑的補強(qiáng)效果可以達(dá)到炭黑的水平，在高檔彩色橡膠制品中，氣相法白炭黑是最好的補強(qiáng)劑。在

10、輪胎工業(yè)中，在胎面膠中添加白炭黑可以提高胎面的抗切割、抗撕裂性能，減少蹦花掉塊。法國米其林公司曾全部用白炭黑作填料，制成高級轎車配套的綠色輪胎。白炭黑填充的膠料與普通炭黑填充的膠料比較，滾動阻力可降低30%。在簾布膠中，可大大提高簾布與膠料的粘接性能。（2）白炭黑在化學(xué)機(jī)械拋光（C M P）中的應(yīng)用CMP 技術(shù)是將化學(xué)拋光和機(jī)械拋光技術(shù)相結(jié)合，其拋光速度和拋光精度以與拋光產(chǎn)生的破壞深度等要素都比單一的化學(xué)拋光或機(jī)械拋光具有優(yōu)勢，并能根據(jù)需要對拋光要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。目前，研發(fā)的重點是CMP 技術(shù)的機(jī)理、裝置和消耗品，如拋光墊、固定材料和漿料等，CMP 漿料在CMP 漿料中占據(jù)重要位置，其種類與

11、用量最多。利用機(jī)械法將納米級白炭黑粒子在一定條件下分散于水中是制成 CMP 漿料的主要方法，它能保證CMP 漿料的高固含量（> 20%）和高純度。目前，CMP 漿料已應(yīng)用于集成電路、平面顯示器、多芯片模塊、微電機(jī)系統(tǒng)、傳感器、檢測器和光導(dǎo)攝像管等的表面加工。此外，在瓷、精密閥門、光學(xué)玻璃、磁頭、機(jī)械磨具、金屬材料表面加工領(lǐng)域的應(yīng)用也受到重視。（3）白炭黑在塑料工業(yè)中的應(yīng)用在塑料中添加白炭黑，可提高材料的強(qiáng)度、韌性，明顯提高防水性和耐老化性。在工程塑料中，利用共混法將氣相法白炭黑添加到不飽和聚酯中，當(dāng)二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5% 時，試樣的耐磨性提高2倍，拉伸強(qiáng)度提高1 倍以上，莫氏硬度為2

12、.9，硬度接近石，沖擊強(qiáng)度也大大提高。在環(huán)氧樹脂中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 的氣相法白炭黑，材料的抗沖擊強(qiáng)度提高40% ，拉伸強(qiáng)度提高21% ，若用硅烷偶聯(lián)劑對氣相法白炭黑進(jìn)行改性后，沖擊強(qiáng)度可以提高124% ，拉伸強(qiáng)度提高30%。用納米級白炭黑改性聚酰亞胺（PI），拉伸強(qiáng)度可提高1.5 倍，斷裂伸長率提高3 倍。在通用塑料中，利用氣相法白炭黑的高強(qiáng)度、高流動性和小尺寸效應(yīng)，可提高塑料的致密性光潔度和耐磨性能。若通過適當(dāng)?shù)谋砻娓男?，則可在增強(qiáng)塑料的同時，對塑料增韌。將氣相法白炭黑添加到聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中制成PMMA復(fù)合材料，缺口沖擊強(qiáng)度提高80% 以上，且光學(xué)性能良好。(4)白炭黑在超細(xì)

13、復(fù)合粒子方面的應(yīng)用石墨對紅外全波段具有較好的吸收特性、良好的導(dǎo)電性，在軍事工業(yè)上廣泛地用于隱身技術(shù)與石墨炸彈的研究。研究表明，石墨粒子吸附于絮狀白炭黑的表面與凹陷處，形成結(jié)合緊密的球型化復(fù)合粒子，復(fù)合過程不產(chǎn)生新的介質(zhì)，子母粒子接口之間的作用力為德華力和靜電庫侖力。超細(xì)石墨粒子與白炭黑復(fù)合，可提高粒子的分散性、比表面積與孔容，提高石墨氣溶膠的懸浮穩(wěn)定性。不僅如此，復(fù)合粒子的紅外吸收特性增強(qiáng)，這為其紅外隱身技術(shù)提供了條件。(5)白炭黑在造紙方面的應(yīng)用在造紙工業(yè)中，白炭黑能提高紙的白度、使紙質(zhì)量輕化，適合高速印刷。添加白炭黑的紙其耐磨、手感、不透明性和光澤等性能優(yōu)于不加白炭黑的紙。(6)白炭黑在其

14、它方面的應(yīng)用在油墨油漆和涂料中，添加白炭黑能使制劑色澤鮮艷、增加透明感、打印清晰、漆膜堅固。在農(nóng)藥工業(yè)中，白炭黑可作為防結(jié)塊劑、分散劑，提高吸收和散布能力。此外，白炭黑在飼料工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域中也有許多用途。1.2水合氧化硅的制備方法白炭黑的生產(chǎn)方法可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類。其中，物理法由于生產(chǎn)的產(chǎn)品性能不佳，故一般不采用。而化學(xué)法在傳統(tǒng)上可分為干法沉淀法和濕法沉淀法。干法中又常分為氣相法和電弧法。目前，國外一般都采用氣相法制備高性能的納米白炭黑。濕法一般按其形成可分為沉淀法和凝膠法。凝膠法一般有干燥法和氣凝膠法。沉淀法通常以水玻璃為原料，主要有硫酸法、鹽酸法、碳酸法、法和水熱法等。其

15、中，硫酸法和鹽酸法較為常用。沉淀法由于工藝簡單，生產(chǎn)條件穩(wěn)定，成本較低，產(chǎn)量大，是目前工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的方法。(1)傳統(tǒng)沉淀法沉淀法主要是采用水玻璃( 又稱泡花堿, 化學(xué)式)與無機(jī)酸作用，生成水合二氧化硅沉淀后，再經(jīng)過分解而制得工業(yè)成品白炭黑。通過控制反應(yīng)過程中物料比例、流量與反應(yīng)時間，經(jīng)過濾、洗滌和干燥等后處理，可得到不同比表面積、粒徑、純度、形態(tài)、結(jié)構(gòu)度、孔隙度的制品。沉淀法生產(chǎn)工藝、技術(shù)、設(shè)備簡單，成本低，是我國目前生產(chǎn)白炭黑的主要方法。酸法沉淀法酸法沉淀法制取白炭黑是一種最傳統(tǒng)的制備方法。其工藝流程就是先配得原材料水玻璃和酸，將其靜置，然后在一定條件下，將兩者混合，制得白炭黑。以硫酸

16、為例，反應(yīng)如下： 在此法中，酸度、溫度、時間、加料速度等沉淀條件以與水玻璃的質(zhì)量對產(chǎn)品的性質(zhì)都有重要影響。目前此技術(shù)相當(dāng)成熟。只是如何才能制取像氣相法那樣性能優(yōu)良的白炭黑，是此技術(shù)突破的關(guān)鍵。當(dāng)然也有不少人指出通過控制加酸速度、加入膠體保護(hù)劑、加酸的量、干燥的溫度和時間等條件可以制得納米級的白炭黑。但經(jīng)驗證明，這些方法只是制備過程中白炭黑的一次粒子為納米級，經(jīng)過化、洗滌、干燥后，這些一次粒子會團(tuán)聚長大，最后所得的成品卻不是納米級的。碳酸法近些年來，由于溫室效應(yīng)的影響越來越嚴(yán)重，人們開始重視對的排放與利用。為了減少無機(jī)酸的消耗以與保護(hù)環(huán)境，國外不少科學(xué)家開始用代替無機(jī)酸與水玻璃進(jìn)行反應(yīng)制備了白炭

17、黑。Chattopadhyay、Jianling Zhang等人率先采用超臨界與水玻璃溶液相作用制備了白炭黑。其通過控制的壓力和反應(yīng)溫度得到了不同形態(tài)和性狀的白炭黑。在該方法中， 不僅是作為反應(yīng)試劑，同時也是產(chǎn)品的修飾劑。 X.Cai 等人提出采用硅酸鈉溶液與加壓制備沉淀法白炭黑的新工藝。其以作為原料，二氧化碳作為沉淀劑，聚乙二醇(PEG6000) 作為非離子分散劑進(jìn)行如下反應(yīng)： 研究了在0.2MPa 大氣壓下，反應(yīng)溫度、時間、和聚乙二醇濃度對白炭黑的平均粒徑合格轉(zhuǎn)化率的影響，并得出了最佳工藝條件。該工藝原料成本低廉，環(huán)境友好，制得的產(chǎn)品純度高、粒徑小、性狀好，與傳統(tǒng)酸法沉淀法相比，具有眾多優(yōu)

18、點。國有不少企業(yè)以電石生產(chǎn)中的廢棄物石灰空氣(含有大量的混合氣體)代替無機(jī)酸與水玻璃溶液進(jìn)行酸化反應(yīng)制得白炭黑。還有不少學(xué)者利用其它含碳試劑如碳酸氫銨和尿素，在合適條件會分解產(chǎn)生而制備了白炭黑。碳酸法工藝較簡單，易于形成規(guī)模，條件與傳統(tǒng)沉淀法相似，與傳統(tǒng)的酸法沉淀法比較，能夠有效地回收利用副產(chǎn)物，減少了三廢的排放，大大降低了生產(chǎn)成本，既提高了生產(chǎn)效益也保護(hù)了環(huán)境。但受限于原料，在工業(yè)上難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。(2)新沉淀法目前，有人提出了新的生產(chǎn)方法，以硅灰石、蛋白石、高嶺土等非金屬礦與其延伸物為硅源來制備白炭黑。這種技術(shù)的關(guān)鍵是將晶體的二氧化硅和硅酸鹽轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)的二氧化硅，其實仍是沉淀法。 該

19、法又稱離解法，與傳統(tǒng)方法相比又稱為新方法。其主要是在硅源方面不再采用傳統(tǒng)的水玻璃，而是以非金屬礦與其延伸物或其它物質(zhì)為硅源，其技術(shù)關(guān)鍵是將結(jié)晶的二氧化硅和硅酸鹽轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)的二氧化硅。根據(jù)使用的原料不同可以分為非金屬礦物法，禾本科植物法，副產(chǎn)品回收法等。近年來，國外許多學(xué)者已經(jīng)采用新沉淀法對不同原料進(jìn)行了研究，制備了不同檔次和不同用途的白炭黑。非金屬礦物法常見的礦物質(zhì)硅源主要有硅灰石、煤矸石、蛋白石、硬質(zhì)高嶺土、高嶺土、埃洛石、硅藻土、膨潤土、蛇紋石、石英砂、粉煤灰、黃磷礦、海泡石等。把這些礦石經(jīng)過粉碎后，采用酸浸或堿浸，再經(jīng)過調(diào)節(jié)pH，過濾，干燥等步驟，即可制得符合標(biāo)準(zhǔn)的白炭黑。大量實驗表明

20、，該法生產(chǎn)的白炭黑一方面成本低，比沉淀法的成本還低，另一方面也可以產(chǎn)生僅次于氣相法的高效能的納米白炭黑。玉琢等人以和的膨潤土為原料，加入硫酸溶液，控制溫度在 75左右，放入超聲波反應(yīng)器中，經(jīng)活化、堿溶、老化、干燥后制得白炭黑。 Gui-Mei Gao 等人以油葉巖灰為原料、PEG為表面活性劑，在超聲波浴中水解濃縮，再經(jīng)過共沸蒸餾，制得了納米白炭黑。具體反應(yīng)如下： 實驗結(jié)果表明, 超聲波技術(shù)的使用大大減小產(chǎn)品的粒徑以與團(tuán)聚趨勢，而共沸蒸餾技術(shù)相比普通的干燥也明顯限制了團(tuán)聚，得到了粒徑均一、高分散性的產(chǎn)品，其比表面積可達(dá) 697。該法工藝簡單，操作簡便，不僅大大降低了納米白炭黑的生產(chǎn)成本，促進(jìn)其廣

21、泛應(yīng)用，更重要的是有效地解決了油葉巖會帶來的環(huán)境壓力，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的雙重效益。目前，由于各種非金屬礦資源豐富，技術(shù)上也是可行的，還有一定的效益前景，正是研究和應(yīng)用的熱點。禾本科植物法該方法是利用稻殼或谷殼灰作原料制取白炭黑，不但成本低于沉淀法，而且其產(chǎn)品質(zhì)量還遠(yuǎn)高于沉淀法，接近氣相法。1990年，Lender 和Ruiter，Luan和Chou 分別指出由于稻殼含量高達(dá)60% ，是生產(chǎn)白炭黑的一種十分經(jīng)濟(jì)的原料，率先采用這種物質(zhì)生產(chǎn)了白炭黑，于是引發(fā)了國際上研究采用稻殼灰生產(chǎn)白炭黑的熱潮。 Kalapathy等人采用一種低耗能的對稻殼灰進(jìn)行堿浸酸洗法生產(chǎn)了高純度的白炭黑產(chǎn)品，這也是目前采用稻

22、殼灰制備白炭黑的常規(guī)方法。 Tzong-Hong Liou在氧化環(huán)境下非等溫氧化分解稻殼灰，再經(jīng)酸洗制得了納米白炭黑顆粒，并對所獲得產(chǎn)品的形態(tài)、粒徑、表面積等性狀進(jìn)行了表征。實驗結(jié)果證明，一樣的起始、終止溫度，不同的升溫速率也會對產(chǎn)品的性質(zhì)造成較大影響。當(dāng)升溫速率為5，白炭黑的比表面積可達(dá) 235，平均粒徑 60nm。該法是制備高比表面積、納米級別白炭黑的一種高效的方法。目前，國也有不少學(xué)者做了有關(guān)這方面的研究，其工藝一般是把原料經(jīng)堿浸后，制得水玻璃，水玻璃再與酸反應(yīng)得到沉淀物，經(jīng)過濾、水洗、干燥可得白炭黑。我國已建成一家用植物生產(chǎn)白炭黑的廠家五糧液集團(tuán)精細(xì)化工，年產(chǎn)白炭黑4000t。這種新方

23、法工藝條件簡單，產(chǎn)本低廉，有很好的經(jīng)濟(jì)前景。副產(chǎn)品回收法主要是利用其它生產(chǎn)或反應(yīng)中的副產(chǎn)物為原料來制備白炭黑,常見的有黃磷陸渣、氟硅酸鈉、磷肥廠的副產(chǎn)品四氟化硅等等。這一類的白炭黑生產(chǎn)方法大多具有良好的環(huán)境效益和資源利用率以與較好的經(jīng)濟(jì)效益，但是其生產(chǎn)的成品大多是中等質(zhì)量，不適合發(fā)展高質(zhì)量的白炭黑產(chǎn)品。（3）反相膠束微乳液法 1968年Stober 等人提出了在氨水、水、乙醇的混合溶劑中對四烷氧基硅烷進(jìn)行水解和凝聚，可制得球形白炭黑。1988年，Bogush和Zukoski等人對Stober 的工作做了改進(jìn)，采用四乙氧基硅烷在醇水溶液中進(jìn)行水解，然后對分散相進(jìn)行凝聚，制備出了納米級別的白炭黑。

24、此后眾多科學(xué)家開始研究采用微乳液法制備白炭黑。 Teofil Jesionowski 做了一系列乳相法制備白炭黑的研究，其在環(huán)己烷溶劑體系中以鹽酸和硅酸鈉為原料制備白炭黑，研究了各種分散誘導(dǎo)技術(shù)對白炭黑性狀的影響。實驗結(jié)果表明，超聲波浴可以獲得高的比表面積、但其形狀不規(guī)則、且易團(tuán)聚，而均質(zhì)化技術(shù)可以使白炭黑具有更好的分散性和形態(tài)，使效果最優(yōu)的分散誘導(dǎo)技術(shù)，可獲得粒徑120150nm 的白炭黑顆粒。 Sung Kyoo Park 等人采用四乙氧基硅烷(TEOS)為原料溶解在乙醇中間，以氨為催化劑，通過半間歇式反應(yīng)來控制納米顆粒的性狀，為了得到粒徑小且均一的產(chǎn)品，研究了各反應(yīng)條件對產(chǎn)物的影響，得到

25、了最佳工藝條件，在水/TEOS 摩爾比為3.05.5， 濃度為0.20.35，進(jìn)料速度為1317,反應(yīng)溫度為5565 ，可獲得平均粒徑在30nm 左右的超細(xì)納米白炭黑。F.J.Arriagada 等人研究了在非離子活性劑、環(huán)己烷、氫氧化銨組成的油包水微乳相系統(tǒng)過控制四乙基硅烷的水解合成納米白炭黑顆粒。由于發(fā)現(xiàn)體系中氫氧化銨的濃度會左右粒徑的大小，其進(jìn)一步研究了在去離子水油微乳相中水/ 表面活性劑比率和氨濃度對合成納米白炭黑的影響。在合適的條件下，采用該法可制得粒徑3070nm 的白炭黑產(chǎn)品。該法是液相化學(xué)制備法中比較新穎的一種，也是目前研究的熱點方向。所用微乳液通常由表面活性劑、助表面活性劑、

26、油、水組成，首先制成乳液，劑量小的溶劑會被包裹在劑量大的溶劑中形成多個微泡，微泡表面由表面活性劑組成，尺寸大小一般在5100nm 之間。從微泡中生成固相可使成核生長、凝結(jié)、團(tuán)聚等過程局限在一個微小的球形液滴，從而形成球形顆粒，避免顆粒之間進(jìn)一步團(tuán)聚。此法制備的產(chǎn)品粒徑小，單分散性好，并且實驗裝置簡單，易操作。（4）溶膠凝膠法該法利用金屬醇鹽或無機(jī)鹽作為初始原料, 以金屬醇鹽和無機(jī)鹽的水解或沉淀反應(yīng)制備出金屬氧化物或金屬非氧化物的均勻溶膠。然后再進(jìn)行溶膠凝膠轉(zhuǎn)化過程, 形成有機(jī)聚合物網(wǎng)絡(luò)或無機(jī)網(wǎng)絡(luò)。凝膠化后, 再經(jīng)過化、干燥和熱處理得到產(chǎn)物。該方法反應(yīng)條件溫和，獲得的產(chǎn)品純度高、比表面積大，在溶

27、液中有良好的分散、懸浮性能，活性大，其缺點是后續(xù)處理較麻煩。目前，國際上主要利用溶膠凝膠法制備微孔納米二氧化硅和二氧化硅氣凝膠以與二氧化硅同其它納米顆粒的復(fù)合材料。（5）氣相法化學(xué)氣相沉積(CAV) 法，又稱熱解法、干法或燃燒法。是硅鹵化物經(jīng)氫氧焰高溫水解制得無定形二氧化硅。其原生粒徑在740nm 之間。比表面積一般大于100，含量不小于99.8% ，是一種極其重要的多功能粉體添加劑。氣相法白炭黑因其高純度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、比表面積大、吸附特性好等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于橡膠、涂料、膠黏劑、油墨、造紙、食品、精細(xì)化工、化工機(jī)械拋光等多個領(lǐng)域中。其制備原理是硅鹵化合物在氫氣和氧氣燃燒生成的水中進(jìn)行

28、高溫(溫度大于1000)的水解反應(yīng)，驟冷，然后經(jīng)聚集、旋風(fēng)分離、空氣噴射脫酸、沸騰床篩選、真空壓縮包裝等后處理而獲得產(chǎn)品。其反應(yīng)方程如下：在此方法中，產(chǎn)品的純度、粒徑、表面積與氫氧氣的純度和流量、原材料的配比、進(jìn)料溫度以與反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和精度有關(guān)。目前氣相法白炭黑的發(fā)展趨勢是與有機(jī)硅單體生產(chǎn)緊密聯(lián)系，利用廉價的有機(jī)硅副產(chǎn)物為主要原料，生產(chǎn)氣相法白炭黑。Hee Dong Jang在小規(guī)模、擴(kuò)散火焰反應(yīng)器中氧化硅酸乙酯(TEOS)制備了納米白炭黑。其反應(yīng)原理如下：實驗結(jié)果表明，TEOS 濃度、總的氣流速率、氣體組成對產(chǎn)品粒徑有較大影響，當(dāng)增加氣焰中的TEOS 濃度，產(chǎn)品的平均粒徑會增加，當(dāng)增大氣流速

29、率時，也會獲得更大的粒徑，整個實驗過程中所獲得的產(chǎn)品平均粒徑從10nm 到40nm 不等。 我國氣相法白炭黑的生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟，在生產(chǎn)規(guī)模、自動化程度以與產(chǎn)品種類、牌號方面遠(yuǎn)不與國外。我國的氣相法白炭黑產(chǎn)業(yè)正面臨巨大的發(fā)展壓力。一方面，我國正不斷引進(jìn)和吸收國外的先進(jìn)技術(shù)，同時也在不斷加強(qiáng)自主創(chuàng)新。國廠家正盡快增加產(chǎn)能、提高產(chǎn)品檔次、增加產(chǎn)品品種，以面對國市場的生存壓力與挑戰(zhàn)。1.3煤矸石的性質(zhì)煤矸石是采煤過程和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石。包括巷道掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)矸石、采掘過程中從頂板、底板與夾層里采出的矸石以與洗煤過程中挑出的洗

30、矸石。一煤矸石的化學(xué)組成其主要成分是、，另外還含有數(shù)量不等的、和微量稀有元素（鎵、釩、鈦、鈷）。其化學(xué)成分見表1.3表1.1煤矸石化學(xué)成分化學(xué)組成SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OTiO2IL百分含量61.1429.474.701.33130.450.741.28作為天然固態(tài)巖石集合體，煤矸石是由無機(jī)質(zhì)和少量有機(jī)質(zhì)組成的混合物，除去可燃物外，其灰渣中以硅鋁為主的類似硅酸鹽材料的化學(xué)組成情況大致如下： 1、煤矸石灰份中一半以上的成分為SiO2 AI2O3其中SiO2的含量波動在3768%， AI2O3 的含量平均波動在1136%。 2、在灰份里所含的諸元素波動在

31、518%這可能與煤矸石在成巖后與地下水，以與礦化作用等有關(guān)，一般以碳酸鹽存在，以赤鐵礦存在。 3、煤矸石所含的堿金屬成分中，由于是在成巖過程中，離子容易濃于地下水而被流失，而成為粘土礦物的成分。 4、含量平均波動在0.102.8%，平均波動在痕跡至1.9%。通過半定量光譜分析，發(fā)現(xiàn)煤矸石還含有一定量的多種元素，它們的含量大約是：鋇、錳、鈹、鈷、銅、鎵、鉬、鎳、鉛、鈧、釩、鋯、鉻、磷、錫、鋅、釔、鍶、汞、砷、氟、氯等均為痕跡。這是一般混合矸石的化學(xué)組成情況，隨著煤層地質(zhì)年代，成礦結(jié)構(gòu)，開采方法等不同，煤矸石所含元素均有一定特點，并呈規(guī)律變化。屬于砂質(zhì)巖的煤矸石，含量一般可達(dá)7

32、0%左右；屬于鋁質(zhì)巖的煤矸石，含量一般可達(dá)40%，屬于碳酸鹽的煤矸石，含量一般可達(dá)30%；屬于粘土質(zhì)巖的煤矸石，化學(xué)成分通常接近一般葉巖。另外，在選煤廠中，同一煤種洗選出來矸石，隨著煤矸石的顆粒粒徑的變小，等組成相應(yīng)增多，含碳量和熱值隨之增加，灰份逐漸減少，這種現(xiàn)象可能是由于等元素與碳粒結(jié)合力較大，不易分離，或者是應(yīng)用泡沫浮選時，細(xì)小的矸石顆粒重新分布所致。 二煤矸石的礦物組成 煤矸石化學(xué)分析的結(jié)果，僅提供出平均試樣中各化學(xué)元素總的概念，然而，煤矸石在物相組成上卻是不均一的，在巖石的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造上也各不一樣；另外，煤矸石的化學(xué)成分是依賴于巖石種類和物礦組成而變化的，因此，在了

33、解煤矸石化學(xué)成分的同時，有必要了解其巖石特征與礦物組成。 隨煤層所在的地層不同，煤矸石中含有各種巖石，主要有粘土巖石、砂巖類、碳酸鹽類、鋁質(zhì)巖類。粘土巖類主要組成為粘土礦物，其次為石英、長石、云母、巖屑等碎屑礦物，再其次為黃鐵礦、碳酸鹽等自生礦物。此外，往往還含有豐富的植物化石，有機(jī)質(zhì)，碳質(zhì)。粘土巖類在煤矸石中占的比例最大，尤其是泥質(zhì)葉巖、碳質(zhì)葉巖、粉砂葉巖等更為常見。 砂巖類，是含有大量砂粒的碎屑沉積物，可視為碎屑礦物和膠結(jié)物二部分組成，根據(jù)碎屑物的粒徑大小又可分為砂巖和粉砂巖，大部分介于0.12毫米者稱為砂巖，而介于0.10.01毫米者稱為粉葉巖。在砂巖中，碎屑礦物多為

34、石英、長石、云母；石英往往被碳酸鹽所融蝕和交替，云母礦物碎屑一般以白云母為主，長石碎屑往往易風(fēng)化為粘土礦物或含碳物質(zhì)，或被碳酸鹽交替；膠結(jié)物一般為碳質(zhì)侵染的粘土礦物，以與含有碳酸鹽的粘土礦物或其它化學(xué)沉積物。在粉砂巖中，碎屑礦物多為石英、白云母。膠結(jié)物比較復(fù)雜，通常為粘土質(zhì)、硅質(zhì)、腐殖質(zhì)、鈣質(zhì)等；我國石灰二迭紀(jì)煤系地層中粉砂巖含有豐富的植物化石和菱鐵礦結(jié)核。 碳酸鹽類，多屬菱鐵礦，其次為方解石，石灰石，往往還混有較多的粘土礦物、有機(jī)物、黃鐵礦等硫酸鹽類物質(zhì)。鋁質(zhì)巖類均含有高鋁礦物，三水鋁礦，一水軟鋁礦，一水硬鋁礦，而粘土礦物退居次要地位，但常常含有石英，玉髓，褐鐵礦；白云石，方解石等

35、礦物。物相分析表明，煤矸石中含有多種巖石，其基質(zhì)都由粘土礦物組成，夾雜著數(shù)量不等的碎屑礦物和碳質(zhì)，因此，可以將煤矸石看成是一種硬質(zhì)粘土礦物，其中雜質(zhì)主要是鐵鈦氧化物。煤矸石中最常見的粘土礦物種類有高嶺石類，水云母類，蒙脫石類、綠泥石類，其中地質(zhì)條件不同，煤矸石有的以高嶺石為主，有的則以水云母為主，有的試樣中還含有少量的絹云母和溴云母。據(jù)有關(guān)資料介紹，我國的煤矸石以高嶺石為主的占三分之二強(qiáng)，以水云母為主的占三分之一弱。煤矸石中的粘土礦物成分，經(jīng)過適當(dāng)溫度鍛燒，便可獲得與石灰化合成新的水化物的能力，所以，煤矸石又可視為一種火山灰活性混合材料，其活性大小的衡量標(biāo)準(zhǔn)是粘土礦物含量。由于碳質(zhì)葉巖、泥質(zhì)葉

36、巖和砂質(zhì)葉巖占煤矸石的絕大部分，因此，在利用煤矸石時，要對這三種巖石分別進(jìn)行研究。 三、煤矸石的外觀特征與顯微結(jié)構(gòu) 1外觀特征碳質(zhì)葉巖為黑色或黑灰色，層狀結(jié)構(gòu)，表面有油脂光澤，不完全理解，不規(guī)則塊狀，斷面參差，易碎，滴入稀鹽酸有小氣泡緩慢放出。 泥質(zhì)葉巖為黃灰色或黑褐色，土狀光澤，有松疏的黑色小粒，片狀結(jié)構(gòu)，不完全理解，質(zhì)軟性脆，不規(guī)則塊狀，易碎，滴入稀鹽酸不起反應(yīng)。 砂質(zhì)葉巖為深灰色或灰白色，臘狀光澤，結(jié)構(gòu)較泥質(zhì)、碳質(zhì)葉巖粗糙堅硬，組成均一，沿層理有草葉狀條痕，極不全完解理，滴入稀鹽酸有氣泡放出，還有鐵銹斑點。 2顯微結(jié)構(gòu) 碳質(zhì)葉巖

37、以不透明黑色礦物為主，有少量石英和粘土礦，泥質(zhì)葉巖以石英為主，有一定量的不透明黑色礦物和少量云母；砂質(zhì)葉巖主要是石英和云母，還有一定量的不透明礦與碳酸鹽礦物，石英顆粒較粗。碳質(zhì)葉巖和泥質(zhì)葉巖在出煤井時含有較多的碳質(zhì)，往往還含有膠質(zhì)有機(jī)物、樹脂，孢子以與其它植物殘體，隨著含量的增加巖石顏色加深，經(jīng)長期堆積，部發(fā)熱自燃，大部分已起一定煅燒作用，使表面形成一層很厚的硫酸鋁或其它復(fù)鹽。砂質(zhì)巖出井煤時，塊度較其它葉巖大，難粉碎，不自燃，難風(fēng)化。 四、煤矸石工藝物理性質(zhì) 1可塑性 煤矸石必須經(jīng)細(xì)碎后才有塑性，矸石中砂巖塑性較葉巖差。混合矸石經(jīng)粉碎至250目篩篩余>2%時

38、,其可塑指標(biāo)可達(dá)2.83相應(yīng)含水率為2325%,如果進(jìn)一步細(xì)碎至300目篩篩余<2%,則塑性會更大。2粘度 隨矸石的顆粒的比表面增大,矸石泥團(tuán)基本可以塑性成型時,泥漿粘度在1.1左右,可用于注漿成型。3真比重和硬度 煤矸石中的砂巖的真比重和硬度較葉巖的大,所以,各地矸石硬度差異很大,含葉巖多的矸石硬度在23,含砂巖多的矸石在45之間.混合矸石的真比重一般在2.6左右,其安息角在4050度間。4收縮性 煤矸石塑性低,收縮也就較小,一般線收縮在2.53%.燒結(jié)后的線收縮在2.2 2.4%,相應(yīng)吸水率在1719%。5燒結(jié)溫度圍 煤矸石的燒結(jié)溫度一般在10

39、50左右,900左右為一次膨脹,1120至1160時收縮最小,溫度繼續(xù)上升至1160以上時產(chǎn)生二次膨脹,由固相轉(zhuǎn)為固液相或完全融熔。6脫碳溫度 煤矸石的脫碳溫度一般總是低于最佳燒結(jié)溫度,最佳脫碳溫度常發(fā)生在1000 下,最低脫碳時間為200250分鐘，在整個脫碳過程中,應(yīng)保持氧化氣氛。7耐火度 煤矸石屬于中低耐火材料,一般耐火度在13001350,這主要取決于化學(xué)組成,從相圖角度看,若含堿金屬和堿土金屬高則熔點就低。8工業(yè)組成 為煤矸石的自然含水率,一般在4%,最低的在1%以下,最高的可達(dá)20%。結(jié)晶程度差,分散程度大的含水率要高點,如以高嶺石為主的煤矸石較以伊利

40、石為主的煤矸石自然含水率就略高。是煤矸石無機(jī)礦物質(zhì)燃燒后的固體殘渣,它是以硅鋁為主的類似硅酸鹽材料,具有與石灰化合成新的水化物的能力.作為工業(yè)原料,就是這部分矸石渣。含量在80%為煤矸石中的有機(jī)化合物,燃燒時放出熱量呈汽態(tài)逸出,一般含量大于10%,洗矸較選矸高。為煤矸石的碎屑,碳葉巖中的碳煤。大部分固定碳是浸透在煤矸石結(jié)構(gòu)中的,這對硅酸鹽等礦物的受熱溶解和形成將起著有利作用,表現(xiàn)為表面能高,而物質(zhì)的燒結(jié)是向表面積減少和表面能低的方向完成的。煤矸石燃燒時產(chǎn)生的熱卡,其含量一般在400500大卡/公斤,但有的也可達(dá)25003000大卡/公斤,尤其是洗矸。了解煤矸石的工業(yè)組成極其變化規(guī)律,對制定工藝

41、參數(shù)有實際意義。1.4煤矸石制備水合氧化硅的方法與原理煤矸石制備水合氧化硅的方法分為兩種：酸溶法和堿熔法。一、酸溶法（1）工藝流程：從煤矸石中提取，制取白炭黑的工藝分兩步。首先，用酸在一定條件下，溶解煤矸石中的 ,濾去含A1的溶液(可以制取聚合氯化鋁)，殘渣用堿熱解，殘渣中的經(jīng)堿解后產(chǎn)生水玻璃，其工藝流程如下:酸浸過濾堿解過濾濃縮水玻璃煤矸石含硅殘渣濾液濾液濾渣圖1-1 酸溶法煤矸石制備水玻璃工藝流程第二步，在得到水玻璃后，加酸、鹽沉析，得到,經(jīng)過濾、即得到白炭黑成品，工藝流程如下：過濾烘干成品水玻璃沉析濾液圖1-2 酸溶法水玻璃制備水合二氧化硅工藝流程（2）反應(yīng)機(jī)理a.酸溶機(jī)理：在酸性溶液中

42、，活性氧化鋁()能被溶解成鋁鹽:但煤矸石中的氧化鋁和氧化硅主要以富鋁玻璃體 (紅柱石)存在，而不以活性氧化鋁形式存在。因此其中的很難用酸溶解下來。為了提高煤矸石中的溶解率，必須打開Al-Si鍵，這一過程可以通過加入來實現(xiàn)。在酸性條件下，與硅鋁玻璃體中的硅反應(yīng)產(chǎn)生氟硅化合物，使玻璃體破壞，增加了的反應(yīng)活性。b.堿解：當(dāng)被酸溶出后，煤矸石殘渣中殘留的主要是沒有溶解的，殘渣經(jīng)過濾水洗后，與加熱堿解，殘渣中的與反應(yīng)，生成水玻璃:c.沉析機(jī)理：水玻璃加入酸后，在鹽溶液中沉析，得到:二、堿熔法（1）工藝流程 堿熔法制取白炭黑工藝流程如下：煤矸石、混合燒結(jié)粉碎酸浸（20HCl）過濾濾液沉析過濾水洗干燥成品濾

43、渣圖1-3 堿熔法煤矸石制備水合二氧化硅工藝流程（2）堿熔機(jī)理煤矸石中的二氧化硅主要以玻璃體形式存在，溶出活性很低，本試驗采用堿高溫熔融，熔劑是碳酸鈉。煤矸石與工業(yè)碳酸鈉按一定配比混合，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)熔融后，煤矸石中不具活性的硅、鋁等便被分解為堿金屬硅酸鈉、鋁酸鈉等復(fù)合的混合物。反應(yīng)式如下:熔融物用酸進(jìn)行處理，和就被溶解下來，反應(yīng)式為：熔融物經(jīng)酸溶解后，經(jīng)過濾得到濾液，棄去殘渣。濾液在一定條件下沉析即得含水。沉析后將其過濾，將濾渣烘干即得白炭黑產(chǎn)品。1.5超聲波在粉體制備中的作用超聲波與聲波一樣，在液體中是一種縱向傳播的疏密波，常見的波形是正弦波，正負(fù)壓周期性的高速交變 。它通過液體介質(zhì)向四周傳播

44、，產(chǎn)生“超聲空化”現(xiàn)象。所謂“超聲空化”是指在高能超聲場作用下，液體中的空化泡（或氣泡）形成、振蕩、膨脹、閉合至崩潰的一系列動態(tài)過程?？栈莸膲勖鼧O短，約為 0.1s，空化泡崩潰時在極短的時間可引發(fā)集中的聲場能量迅即釋放出來，在受作用的物體中產(chǎn)生微觀極熱，溫度可達(dá)5000K以上，并產(chǎn)生50MPa的高壓，在聲波的高速交變過程溫度變化率高達(dá)，并產(chǎn)生速度約為具有強(qiáng)烈沖擊力的微射流。這些條件足以使物質(zhì)在空化泡發(fā)生化學(xué)鍵斷裂、水相燃燒或熱分解，加速界面間的傳質(zhì)和傳熱過程，從而提供了物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)和物理變化的特殊環(huán)境。超聲波是以物理、電子、機(jī)械振動、材料等學(xué)科為基礎(chǔ)的現(xiàn)代高新技術(shù)之一，一般是指頻率圍為201

45、06kHz的機(jī)械波，它具有頻率高、方向性好、穿透力強(qiáng)、能量集中等特性，在許多技術(shù)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用，取得了良好的效果，但將超聲波應(yīng)用于各種超細(xì)粉或納米材料制備方面，近年來國外報導(dǎo)不多。濕法制備超細(xì)粉體是實驗室最常用方法之一，它工藝簡單、成本低，所得粉體性能優(yōu)良，最具實用化前景。但濕法制粉在化學(xué)反應(yīng)成核、晶核生長到前驅(qū)體沉淀物的洗滌、干燥與煅燒的每一過程中均可能形成嚴(yán)重顆粒團(tuán)聚，因此要獲得均勻、分布窄的粉體必須嚴(yán)格控制制備粉體的全過程，尤其是在前驅(qū)體沉淀物成核的沉淀反應(yīng)過程，如使反應(yīng)物系實現(xiàn)微觀與介觀均勻混合，則可促進(jìn)前驅(qū)體沉淀相的均勻形核，從而使晶核的生長和顆粒的團(tuán)聚得到有效的控制。超聲波的

46、空化作用和傳統(tǒng)的攪拌技術(shù)相比更易實現(xiàn)介觀均勻混合，消除局部濃度不勻，提高反應(yīng)速度，促進(jìn)新相的形成，并對團(tuán)聚體還可起剪切破碎作用，超聲波的這些特點決定了其在超細(xì)粉體制備中的獨特作用與廣闊的應(yīng)用前景。 2 煤矸石性能研究2.1化學(xué)組成煤矸石是在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量低、比較堅硬的黑色巖石。它是由碳質(zhì)葉巖、碳質(zhì)砂巖、砂巖、葉巖、粘土等巖石組成的混合物。發(fā)熱量一般為4.182.56MJ/kg。煤矸石的化學(xué)成分較復(fù)雜，所包含的元素可多達(dá)數(shù)十種。一般以硅、鋁為主要成分，另外含有數(shù)量不等的、等氧化物，以與微量的稀有金屬元素，如鈦、釩、鈷、鎵等。其中與的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般分別波動于40%60%和15%

47、30%之間。燒失量一般大于10%。在煤矸石中，一般以和的質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動最大，往往有的煤矸石中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不到1%，而有的則高達(dá)30%以上。的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也在較大的圍波動。2.2物相組成通過XRD衍射對煤矸石和煅燒后煤矸石的XRD圖譜進(jìn)行分析：圖2-1 煤矸石的XRD圖譜102030405060石英圖2-2 煅燒后煤矸石的XRD圖譜從圖2-1可以看出煤矸石XRD衍射圖中含有高嶺石和石英兩種成分，而經(jīng)過600溫度煅燒后XRD衍射圖譜中高嶺石消失了，這是因為煤矸石經(jīng)過煅燒后高嶺石發(fā)生分解了。2.3熱分析煤矸石、煤矸石和純堿混合物煅燒的熱分析分別見圖2-3和圖2-4：圖2-3 煤矸石煅燒的熱分析圖2-4 煤矸

48、石和純堿混合物煅燒的熱分析通過圖2-3煤矸石煅燒的熱分析可以看出：（1）在330515之間有個吸熱峰，此峰是由于煤矸石中的有機(jī)物揮發(fā)導(dǎo)致成的。（2）在515左右有個放熱峰，這是由于碳的燃燒產(chǎn)生的。（3）在515后有明顯的吸熱峰，失重曲線明顯大幅度下降，這是由于煤矸石分解，分解產(chǎn)物有非晶態(tài)物質(zhì)。（4）在800左右的吸熱峰，可能是其它雜質(zhì)導(dǎo)致成的。通過圖2-3和圖2-4的比較可以看出：（1）在60左右的吸熱峰是由于水的揮發(fā)導(dǎo)致成的。（2）在300600之間的現(xiàn)象同圖2-3現(xiàn)象一樣，見上述。（3）在7001000之間的熱效應(yīng)比較明顯，而且失重也比較明顯，這可能是由于碳酸鈉的分解或者是發(fā)生了一系列的化

49、學(xué)反應(yīng)，因此選擇在這之間明顯的幾個吸熱或放熱峰所在的溫度點來做實驗。3 試驗設(shè)計3.1工藝流程煤矸石、混合燒結(jié)粉碎酸浸（20HCl）過濾濾液沉析過濾水洗干燥成品濾渣圖3-1 堿熔法制取白炭黑工藝流程圖煤矸石與工業(yè)碳酸鈉按一定配比混合，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)熔融后，煤矸石中不具活性的硅、鋁等便被分解為堿金屬硅酸鈉、鋁酸鈉等復(fù)合的混合物。熔融物用酸進(jìn)行處理，和就被熔接下來。熔融物經(jīng)酸溶解后，經(jīng)過濾得到濾液，棄去殘渣。濾液在一定條件下沉析即得含水。沉析后將其過濾，將濾渣烘干即得白炭黑產(chǎn)品。3.2煅燒工藝制度煅燒工藝制度分為配比、煅燒溫度和保溫時間、升溫制度。（1）配比根據(jù)煤矸石中和與純堿的反應(yīng)：在表1-3中可以

50、看出、在煤矸石化學(xué)成分中分別占有的百分含量為61.14%、29.47%。那么取10g煤矸石，根據(jù)：相對分子質(zhì)量 60 106質(zhì)量 6.114 10.8014相對分子質(zhì)量 102 106質(zhì)量 2.947 3.0626得出所需 13.864g。那么根據(jù)實驗配制1000g煤矸石和純堿混合料，需要用電子天平稱量煤矸石419.04g和純堿580.96g，然后用XM-4行星式研磨機(jī)混磨20min。（2）煅燒溫度和保溫時間、升溫制度根據(jù)熱分析圖得出所需實驗的5個溫度點：720、800、830、860和1010。 首先從配制好的混合料中取出5份50g的混合料，然后把它們放入系列箱式電阻爐中，升溫、保溫步驟如下

51、:從室溫15升溫60min到500，在500保溫90min,中間電阻爐爐門一直保持打開一條縫，保證爐有氧狀態(tài)；從500升溫22min到720，升溫速率為10min，在720保溫60min，然后取出一份；從720升溫8min到800，升溫速率為10min，在800保溫60min，然后取出一份；從800升溫3min到830，升溫速率為10min，在830保溫60min，然后取出一份；從830升溫3min到860，升溫速率為10min，在860保溫60min，然后取出一份；從860升溫15min到1010，升溫速率為10min，在1010保溫60min，然后取出最后一份。然后選擇720和830兩個溫

52、度點在不同的保溫時間里進(jìn)行一次實驗，稱量好4份50g配合料，放入電阻爐中：從室溫15升溫60min到500，在500保溫90min,中間電阻爐爐門一直保持打開一條縫，保證爐有氧狀態(tài)；從500升溫22min到720，升溫速率為10min，在720保溫90min，然后取出一份；繼續(xù)在720保溫90min，然后取出一份；從720升溫11min到830，升溫速率為10min，在830保溫90min，然后取出一份；繼續(xù)在830保溫90min，然后取出最后一份。 3.3浸取、過濾、轉(zhuǎn)化、干燥、超聲波處理浸取由于在1010煅燒的混合物完全融化掉了，不能拿來做以后的實驗，那么去掉這個溫度點。冷卻后，將燒結(jié)物破

53、碎，各加入100ml去離子水混合，然后放入水浴鍋加熱至90，保溫2小時，其中每隔半小時攪拌一次。過濾用漏斗將水浴好的溶液過濾，再每次加入50ml去離子水過濾兩遍，去掉濾渣，保留濾液。轉(zhuǎn)化將第一次實驗的四份溶液加入少量的乙醇，然后一邊用滴管慢慢滴入鹽酸溶液，一邊用玻璃棒快速攪拌溶液，直至溶液中有沉淀產(chǎn)生，再繼續(xù)加入鹽酸直至用PH試紙測量溶液呈酸性，最后滴加兩滴管的鹽酸溶液。 從第二次實驗的四份溶液中各取出50ml分別放入四個量杯中，然后加入20%的乙醇即10ml，同上，一邊滴加鹽酸溶液，一邊用玻璃棒攪拌，直至有沉淀產(chǎn)生，再繼續(xù)加入鹽酸直至用PH試紙測量溶液呈酸性，最后滴加兩滴管的鹽酸溶液。至于第

54、二次剩余的四份溶液同上轉(zhuǎn)化成沉淀。干燥用真空抽濾裝置將十二份加鹽酸溶液混合液過濾，濾渣分別放入十二個量杯中，然后放入烘干機(jī)烘干，溫度保持在60。烘干后放入自封袋密封保存，然后用電子天平各個稱量并記錄數(shù)據(jù)。超聲波處理將自封袋保存的沉淀取出分別放入小量杯中，向其加入去離子水，然后用JY88-超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)處理20min，使其粒徑變小，性能提高。3.4性能檢測對最后實驗產(chǎn)品白炭黑進(jìn)行XRD衍射分析、激光粒度分析、紅外光譜分析和掃描電鏡分析。通過XRD衍射分析對白炭黑進(jìn)行物相分析；通過激光粒度分析儀分析白炭黑粒徑分布情況；通過紅外光譜分析對白炭黑經(jīng)過超聲波處理后分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵進(jìn)行研究；通過掃描電

55、鏡對白炭黑顆粒形貌進(jìn)行分析。4試驗結(jié)果與分析4.1不同溫度點化學(xué)反應(yīng)分析通過熱分析圖可以看出在720、800時存在吸熱峰，在830、860、1010時存在放熱峰：在720、800存在吸熱峰，可能是因為煤矸石煅燒分解造成的；在830、860存在放熱峰，可能是因為煤矸石里的、與純堿發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)式如下：在1010存在放熱峰，可能是因為高溫下無定形可能與粘土礦物分解產(chǎn)生的無定形重新結(jié)晶生成莫來石等結(jié)晶相。4.2產(chǎn)率分析由于在煤矸石的百分含量占61.14%，那么50g煤矸石和純堿混合料里含有12.810g。根據(jù)：60 7812.810 16.653計算得知理論的沉淀量為16.653g。那么實驗所稱量的沉淀量除以理論沉淀量就是硅的轉(zhuǎn)化率。第一次四份混合物在不同溫度煅燒后沉析的沉淀量和硅的轉(zhuǎn)化率見表4-1：表4-1 不同煅燒溫度的沉淀量和硅的轉(zhuǎn)化率溫度點/沉淀量/g硅的轉(zhuǎn)化率/%7200.5937g3.57%8001.1570g6.95%8301.6591g9.96%8601.2560g7.54%從表4-1可以看出在720硅的轉(zhuǎn)化率最差，830硅的轉(zhuǎn)化率最好。而860的轉(zhuǎn)化率降低是由于煤矸石和純堿的混合物里碳的含量多，揮發(fā)分大，導(dǎo)致煅燒后部分熔融。第二次分別在720、830兩個溫度點不同保溫時間的總 表4-2 在720、