一種高嶺土制白炭黑聯(lián)產(chǎn)硫酸鋁的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高嶺土制白炭黑聯(lián)產(chǎn)硫酸鋁的方法，主要工藝流程為：高嶺土精礦→活化→加酸反應(yīng)→過濾洗滌、壓濾→濾液中和、蒸發(fā)、結(jié)晶得硫酸鋁，濾餅烘干打散即得白炭黑，高嶺土采用本工藝生產(chǎn)白炭黑附加硫酸鋁是可行的，活化條件和加酸反應(yīng)是技術(shù)關(guān)鍵，原料選擇和產(chǎn)品定位則關(guān)系到該項目的收益，該項目有良好的經(jīng)濟效益，具有廣闊前景。
【專利說明】一種高嶺土制白炭黑聯(lián)產(chǎn)硫酸鋁的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化工生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種高嶺土制白炭黑聯(lián)產(chǎn)硫酸鋁的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]白炭黑是人工合成的一類硅化合物系化工材料，屬精細化工產(chǎn)品范疇。主要成分為二氧化硅，即水合二氧化硅；白炭黑為白色蓬松粉狀物，因其主要性能和用途和炭黑相近而得名。白炭黑因具多孔、高分散性，具有極強的吸附能力，無毒無味，不燃不爆，耐高溫等特點。主要用作橡膠的補強劑及填充劑以制造白色、彩色或透明的橡膠制品，能明顯改善橡膠制品的抗拉強度、抗撕裂性和耐磨性，并保持橡膠制品的淺色和透明的特點。還廣泛應(yīng)用于塑料、造紙、農(nóng)藥、醫(yī)藥、涂料、油墨、日用化工、飼料、食品、冶金、水泥、陶瓷、紡織、鑄造、機械加工、電線電纜、半導(dǎo)體加工、炸藥、消防器材等諸多的工農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)產(chǎn)品及航空航天、國防軍工產(chǎn)品中。
[0003]硫酸招(Aluminiumsulfate) (Al2 (S04) 3.ΧΗ20),白色或灰白色粉粒狀晶體。工業(yè)品由于有少量硫酸亞鐵存在，而使產(chǎn)品表面發(fā)黃。在空氣中長期存放易吸潮結(jié)塊。易溶于水，水溶液呈酸性反應(yīng)，難溶于醇。過飽和溶液在常溫下結(jié)晶為無色單斜晶體的18水合物，
8.8°C以下結(jié)晶為27水合物。無水物為具有珍珠光澤的白色結(jié)晶，粗制品為灰白色、多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)晶。主要用作造紙施膠劑和飲用水，工業(yè)用水及廢水處理的絮凝劑。還用作生產(chǎn)人造寶石和其他鋁鹽，如銨明礬、鉀明礬、硬脂酸鋁的原料。別外，還廣泛用作油脂澄清劑、石油除臭脫色劑、混凝土防水劑和防雨布原料、媒染劑、鞣革劑、醫(yī)藥收劍劑、木材防腐劑及用于泡沫滅火劑等方面。
[0004]目前國內(nèi)的白炭黑生產(chǎn)工藝主要有沉淀法和氣相法。氣相法即燃燒四氯化硅而得，沉淀法即酸中和水玻璃而得。近年來又有了非金屬礦法，即用膨潤土、高嶺土、硅藻土、蛋白土、蛇紋石、千枚巖、硅灰石、石英砂、海泡石、凹凸棒石、粉煤灰等非金屬礦生產(chǎn)。為白炭黑的生產(chǎn)尋找了新的生產(chǎn)工藝，也為非金屬礦的深加工和綜合利用開辟了一條新路。
[0005]此外，用非金屬礦制備的白炭黑一般親水性好，具有觸變性、生理惰性、高吸收性、分散性和增稠性而在藥品、化妝品和農(nóng)藥工業(yè)是得到了廣泛的應(yīng)用。白炭黑可改善藥粉的流動性、分散性和抗靜電性，使液體或粘性物質(zhì)變?yōu)樽杂闪鲃拥姆勰?，可增進藥粉對皮膚的粘附性，作為吸收劑、分散劑可用于西藥片劑如維生素C的生產(chǎn)中。其巨大的內(nèi)、外比表面積，可作為醫(yī)藥和農(nóng)藥載體，用于除草劑可防止結(jié)塊；用作農(nóng)藥的乳液分散劑、顆粒劑時，能大量吸收殺蟲劑農(nóng)藥，然后緩慢釋放，提高殺蟲效果。在粘接劑和密封劑中，白炭黑主要起增稠、觸變和控制流動性作 用，防止填料沉淀，保證自由流動，提高耐溫性，增加粘滯度，增強附著力，加快凝固速度。在造紙工業(yè)上，白炭黑能使紙張輕量化，適合高速印刷，還可提高紙張的硬度、白度和不透明性，改善油墨的滲透性，使之在耐磨、手感、印刷、光澤性能方面優(yōu)于不加白炭黑的紙張。
[0006]目前國內(nèi)的硫酸鋁生產(chǎn)工藝主要有:(I)硫酸法:系用硫酸分解鋁土礦而得。(2)燒堿法:系用燒堿分解鋁土礦生成偏鋁酸鈉，經(jīng)水解得氫氧化鋁，再將氫氧化鋁溶于硫酸而得成品。(3)鋁錠下腳料法:將鋁錠下腳料溶于硫酸，濾去不溶物，使原料中雜質(zhì)生成的銨明礬析出并分離后，經(jīng)蒸發(fā)濃縮、冷卻固化而得成品。(4)明礬石法:明礬石經(jīng)煅燒，粉碎后，用硫酸溶解，濾去不溶物，得硫酸鋁和鉀明礬，母液經(jīng)蒸發(fā)濃縮，冷卻固化即得成品。(5)高嶺土法:高嶺土 (或粘土)經(jīng)700-800°C煅燒后粉碎，用過量廢硫酸分離，中和后用圓盤真空過濾機進行固液分離，然后濃縮，結(jié)晶粉碎得產(chǎn)品。(6)氫氧化鋁法:由氫氧化鋁與硫酸作用制得。該法產(chǎn)品純度高。目前工業(yè)生產(chǎn)中以硫酸法和氫氧化鋁法為主。
[0007]用非金屬礦制備白炭黑在國外早有研究，奧地利的彼克納于1985年用蛇紋石制備成白炭黑，國內(nèi)最早的實驗室研究于80年代末期，目前部分申請了專利技術(shù)，用高嶺土制備白炭黑和硫酸鋁也有報道，但是均為單一產(chǎn)品，且多數(shù)為采用北方煤系硬質(zhì)高嶺土，由于其加工成本高而未能進一步深入研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明是針對以上問題，提供一種操作方便、安全可靠的一種高嶺土制白炭黑聯(lián)產(chǎn)硫酸鋁的方法。
[0009]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的以下技術(shù)方案:
[0010](I)高嶺土活化
[0011]高嶺土活化的目的是為了獲得酸分解過程的反應(yīng)活性，試驗采用添加0.2 -
0.3% (與高嶺土重量比)改性劑活化的方法，使酸易滲透進入高嶺土晶核，使酸分解過程的反應(yīng)能夠順利進行，改性劑的選擇應(yīng)充分考慮對酸分解過程的促進和不干擾兩方面的影響。`
[0012](2)加酸分解
[0013]高嶺土加酸分解過程的反應(yīng)方程式:
[0014]A1203.2Si02.2H20+3H2S04+13H20------A12(S04)318H20+2Si02
[0015]分解反應(yīng)是本試驗的關(guān)鍵步驟，為使反應(yīng)加快，分解徹底，必須加入過量的硫酸來反應(yīng)，并采用多道反應(yīng)。鋁的溶出率是其反應(yīng)是否完全的主要標(biāo)志，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵工序。影響鋁的溶出率的主要因素有酸濃度、液固比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間。
[0016]本試驗采用將高嶺土加入改性劑、加水調(diào)成一定比例的漿，于反應(yīng)釜中再加入硫酸并利用酸解熱進行反應(yīng)，考慮到生產(chǎn)成本和硫酸鋁的質(zhì)量，在合理調(diào)節(jié)硫酸用量的情況下，通過控制酸濃度、液固比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力和反應(yīng)時間，取得了較滿意的效果，并不再進行二次反應(yīng)。
[0017](3)固-液分離
[0018]固液分離即硫酸鋁和白炭黑的分離，液體為硫酸鋁，固體(濾渣)為白炭黑。本試驗采用高密度工業(yè)濾布人工過濾，為使白炭黑更純凈、硫酸鋁全部回收，漂洗濾渣5次，濾液回收循環(huán)利用，在實際生產(chǎn)中用板框壓濾機分離很方便。
[0019](4)濃縮與烘干
[0020]硫酸鋁只需經(jīng)過蒸發(fā)濾液水分即可得到相應(yīng)結(jié)晶水的硫酸鋁最終產(chǎn)品。而白炭黑則是由濾渣過濾再干燥、打散而得。本試驗采用將前兩遍濾液用于蒸發(fā)濃縮得到最終的硫酸鋁產(chǎn)品、后三遍低濃度洗液循環(huán)利用。將濕濾渣(含水分的白炭黑)盛于搪瓷盆中，置于干燥爐中干燥至水分< 1.0，經(jīng)打散最終的白炭黑產(chǎn)品。
[0021]在具體生產(chǎn)過程中的具體數(shù)據(jù)如下:
[0022]1.原料選擇[0023]由于我們最終得到的產(chǎn)品中真正有用的成分是硅和鋁，因此高嶺土的純度越高越好，但從經(jīng)濟角度出發(fā)，還要考慮合適的性價比，一般選用普通325目水洗土即可，在此基礎(chǔ)上選擇含鋁高、白度高、雜質(zhì)低的高嶺土作為原料。
[0024]在實際采購過程中，除了對高嶺土的理化指標(biāo)控制外，還應(yīng)知道其礦物組成。原料要求A1203≥37.5%，F(xiàn)e203 ( 1.0%，高嶺石含量大于90%，否則原料消耗成本高、生產(chǎn)工藝條件難控制、產(chǎn)品質(zhì)量差，最終影響其經(jīng)濟效益。
[0025]2.反應(yīng)條件
[0026]工藝控制對最終產(chǎn)品的質(zhì)量有很大關(guān)系，影響的工藝參數(shù)也很多，根據(jù)試驗，主要有如下幾個方面。
[0027](a)硫酸濃度
[0028]根據(jù)試驗，最佳硫酸濃度在50 - 55%之間，濃度高，反應(yīng)快，效率高，但是白炭黑的顆粒較大，比表面積小，松散密度大，吸油值有所下降；濃度低，反應(yīng)速度慢，效率低，反應(yīng)不完全。
[0029](b)反應(yīng)速度
[0030]除了控制酸濃度影響反應(yīng)速度外，如何控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力和反應(yīng)時間也是獲取聞質(zhì)量的廣品和提聞效率的關(guān)鍵。隨著溫度的升聞，硫酸的反應(yīng)活性開始被逐漸激發(fā)出來；當(dāng)溫度升到一個高度后，硫酸的活性開始下降。硫酸與高嶺土反應(yīng)是放熱反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，對于無孔實心的固體顆粒，硫酸逐步從液相向固相擴散，要求耗費足夠的時間，但是當(dāng)反應(yīng)時間太長而效率提高不大，反而會降低生產(chǎn)能力。一般浸出時間為I~3h (二次反應(yīng)總時間)。由于實驗室條件限制，本試驗在常壓進行，在實際生產(chǎn)中可以加壓反應(yīng)，以提聞反應(yīng)效率。
[0031]為了選擇最佳反應(yīng)條件，以最佳煅燒條件煅燒的高嶺土為原料，PH值控制在3，二次反應(yīng)，應(yīng)用正交試驗法進行試驗設(shè)計，對濃度，選擇5%、10%、15%、20%4個不同濃度水平，對反應(yīng)溫度，選擇80°C、、90°C、、100°C、110°C、120°C 5個不同反應(yīng)溫度水平進行了實驗比較，以白炭黑質(zhì)量作為主要判定依據(jù)。根據(jù)試驗結(jié)果，再以首次最佳溫度為中心溫度，選擇±5°C為反應(yīng)溫度，以首次最佳濃度為中心濃度，選擇±2%為反應(yīng)濃度，再次正交試驗設(shè)計并試驗，最終確定最佳反應(yīng)溫度、最佳濃度。
[0032]根據(jù)實驗，酸熔工藝最佳條件是:最佳PH值最佳范圍是2-4之間，濃度15%左右為最佳，而反應(yīng)溫度90-100°C為最佳溫度，硫酸過量20%并進行二次反應(yīng)；而且，在反應(yīng)基本結(jié)束時候，陳腐6-8小時可以獲得最佳效果。
[0033]PH值PH值除了和酸濃度一樣的控制反應(yīng)速度和影響產(chǎn)品質(zhì)量外，也是提取硫酸鋁是否完全的關(guān)鍵。根據(jù)實驗，最佳范圍是2-4之間。
[0034]3.水洗
[0035]水洗是分離兩種產(chǎn)品的關(guān)鍵，是影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序，以最終洗至PH值6-7為宜。在實際生產(chǎn)中可在壓濾機上進行，廢水可循環(huán)使用，以節(jié)約時間和成本。[0036]4.蒸發(fā)和烘干
[0037]濾液經(jīng)加熱蒸發(fā)中和調(diào)整即可得到硫酸鋁產(chǎn)品，由于氨水價格便宜、來源廣泛，用氨水進行中和較適宜，調(diào)整硫酸鋁產(chǎn)品中的游離酸，在蒸發(fā)過程中控制結(jié)晶度而獲得不同結(jié)晶水的硫酸鋁產(chǎn)品。本試驗是以18水硫酸鋁作為最終產(chǎn)品。濾餅經(jīng)過烘干即可得到白炭黑產(chǎn)品，水分控制在3%以內(nèi)，根據(jù)不同用戶需求，可將白炭黑再進行細磨，得到不同細度的最終白炭黑產(chǎn)品。
[0038]本發(fā)明的效果:
[0039]高嶺土采用本工藝生產(chǎn)白炭黑附加硫酸鋁是可行的，活化條件和加酸反應(yīng)是技術(shù)關(guān)鍵，原料選擇和產(chǎn)品定位則關(guān)系到該項目的收益，該項目有良好的經(jīng)濟效益，具有廣闊前景。本法具有三大優(yōu)勢:(I)質(zhì)量不低于沉淀法；(2)其制造成本與沉淀法相當(dāng)，固定資產(chǎn)投入是沉淀法的1/3 ; (3)無三廢，原料各地均有。建造大中型廠的原料，國內(nèi)廣泛，特別是那些不適宜作為陶瓷原料和造紙涂料的大量高嶺土，取代傳統(tǒng)沉淀法是科技優(yōu)勝劣汰的必然結(jié)果。市場預(yù)測:沉淀法白炭黑國內(nèi)年約耗20萬以上，該法生產(chǎn)白炭黑質(zhì)優(yōu)于沉淀法，扣除新技術(shù)帶來增值部份，成本很低，可獨占國內(nèi)市場。
【具體實施方式】
[0040]1.原料選擇
[0041]由于我們最終得到的產(chǎn)品中真正有用的成分是硅和鋁，因此高嶺土的純度越高越好，但從經(jīng)濟角度出發(fā)，還要考慮合適的性價比，一般選用普通325目水洗土即可，在此基礎(chǔ)上選擇含鋁高、白度高 、雜質(zhì)低的高嶺土作為原料。
[0042]在實際采購過程中，除了對高嶺土的理化指標(biāo)控制外，還應(yīng)知道其礦物組成。原料要求A1203≥37.5%，F(xiàn)e203 ( 1.0%，高嶺石含量大于90%，否則原料消耗成本高、生產(chǎn)工藝條件難控制、產(chǎn)品質(zhì)量差，最終影響其經(jīng)濟效益。
[0043]2.反應(yīng)條件
[0044]工藝控制對最終產(chǎn)品的質(zhì)量有很大關(guān)系，影響的工藝參數(shù)也很多，根據(jù)試驗，主要有如下幾個方面。
[0045](a)硫酸濃度
[0046]根據(jù)試驗，最佳硫酸濃度在50 - 55%之間，濃度高，反應(yīng)快，效率高，但是白炭黑的顆粒較大，比表面積小，松散密度大，吸油值有所下降；濃度低，反應(yīng)速度慢，效率低，反應(yīng)不完全。
[0047](b)反應(yīng)速度
[0048]除了控制酸濃度影響反應(yīng)速度外，如何控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力和反應(yīng)時間也是獲取聞質(zhì)量的廣品和提聞效率的關(guān)鍵。隨著溫度的升聞，硫酸的反應(yīng)活性開始被逐漸激發(fā)出來；當(dāng)溫度升到一個高度后，硫酸的活性開始下降。硫酸與高嶺土反應(yīng)是放熱反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，對于無孔實心的固體顆粒，硫酸逐步從液相向固相擴散，要求耗費足夠的時間，但是當(dāng)反應(yīng)時間太長而效率提高不大，反而會降低生產(chǎn)能力。一般浸出時間為I~3h (二次反應(yīng)總時間)。由于實驗室條件限制，本試驗在常壓進行，在實際生產(chǎn)中可以加壓反應(yīng)，以提聞反應(yīng)效率。
[0049]為了選擇最佳反應(yīng)條件，以最佳煅燒條件煅燒的高嶺土為原料，PH值控制在3，二次反應(yīng)，應(yīng)用正交試驗法進行試驗設(shè)計，對濃度，選擇5%、10%、15%、20%4個不同濃度水平，對反應(yīng)溫度，選擇80°C、、90°C、、100°C、110°C、120°C 5個不同反應(yīng)溫度水平進行了實驗比較，以白炭黑質(zhì)量作為主要判定依據(jù)。根據(jù)試驗結(jié)果，再以首次最佳溫度為中心溫度，選擇±5°C為反應(yīng)溫度，以首次最佳濃度為中心濃度，選擇±2%為反應(yīng)濃度，再次正交試驗設(shè)計并試驗，最終確定最佳反應(yīng)溫度、最佳濃度。
[0050]根據(jù)實驗，酸熔工藝最佳條件是:最佳PH值最佳范圍是2-4之間，濃度15%左右為最佳，而反應(yīng)溫度90-100°C為最佳溫度，硫酸過量20%并進行二次反應(yīng)；而且，在反應(yīng)基本結(jié)束時候，陳腐6-8小時可以獲得最佳效果。
[0051]PH值PH值除了和酸濃度一樣的控制反應(yīng)速度和影響產(chǎn)品質(zhì)量外，也是提取硫酸鋁是否完全的關(guān)鍵。根據(jù)實驗，最佳范圍是2-4之間。
[0052]3.水洗
[0053]水洗是分離兩種產(chǎn)品的關(guān)鍵，是影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序，以最終洗至PH值6-7為宜。在實際生產(chǎn)中可在壓濾機上進行，廢水可循環(huán)使用，以節(jié)約時間和成本。
[0054]4.蒸發(fā)和烘干
[0055]濾液經(jīng)加熱蒸發(fā)中和調(diào)整即可得到硫酸鋁產(chǎn)品，由于氨水價格便宜、來源廣泛，用氨水進行中和較適宜，調(diào)整硫酸鋁產(chǎn)品中的游離酸，在蒸發(fā)過程中控制結(jié)晶度而獲得不同結(jié)晶水的硫酸鋁產(chǎn)品。本試驗是以18水硫酸鋁作為最終產(chǎn)品。濾餅經(jīng)過烘干即可得到白炭黑產(chǎn)品，水分控制在3%以內(nèi)，根據(jù)不同用戶需求，可將白炭黑再進行細磨，得到不同細度的最終白炭黑產(chǎn)品。
[0056]以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的【具體實施方式】的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進行的通`常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高嶺土制白炭黑聯(lián)產(chǎn)硫酸鋁的方法，其特征在于:具體步驟如下: (1)高嶺土活化 高嶺土活化采用添加0.2 — 0.3% (與高嶺土重量比)改性劑活化的方法。 (2)加酸分解 本試驗采用將高嶺土加入改性劑、加水調(diào)成一定比例的漿,于反應(yīng)釜中再加入硫酸并利用酸解熱進行反應(yīng)，硫酸濃度在50 - 55%之間，一般浸出時間為I~3h。 (3)固-液分離 固液分離即硫酸鋁和白炭黑的分離，液體為硫酸鋁，固體(濾渣)為白炭黑，最終洗至PH值6-7為宜。 (4)濃縮與烘干 將前兩遍濾液用于蒸發(fā)濃縮得到最終的硫酸鋁產(chǎn)品、后三遍低濃度洗液循環(huán)利用，將濕濾渣(含水分的白炭黑)盛于搪瓷盆中，置于干燥爐中干燥至水分< 1.0，經(jīng)打散最終的白炭黑產(chǎn)品。
【文檔編號】C01B33/12GK103818909SQ201310165242
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月8日
【發(fā)明者】朱源德 申請人:福建龍巖精博化工科技有限公司