[发明专利]制备白炭黑或高纯度二氧化硅的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机化工技术领域，具体涉及一种制备白炭黑或高纯度二氧化硅的方法。

背景技术

高纯度石英在航空航天、原子能技术、激光技术、光缆、军工等高科技领域应用广泛，因此也成为许多国家开发的高新技术领域。高纯石英一般纯度要求在99.99％以上，普通石英砂难以制得如此高纯石英，因此需要纯度高的脉石英制备。然而，目前国内高纯石英严重依赖于进口，一方面是国内缺乏制备高纯二氧化硅的石英砂原料，另一方面是国内二氧化硅制备工艺有待改进。

白炭黑是一种白色、无毒、无定型微细粉末状物，成分可以表示为SiO₂·nH₂O，具有多孔性、高分散、质轻、化学稳定性、耐高温、电绝缘性良好等优异性能。白炭黑用途广泛，在油漆涂料填充剂、橡胶补强剂、塑料增粘剂和触变剂、合成润滑脂硅脂的稠化剂等领域发挥重要用途。

目前，生产白炭黑的主要工艺有沉淀法和气相法。沉淀法为水玻璃与酸反应，得到硅胶沉淀和盐溶液，经过过滤，洗涤，干燥工序得到产品。该工艺需要消耗大量的原料，且副产物氯化钠或硫酸钠价值低，具体包括：1)制备水玻璃工序中以氢氧化钠浓溶液与膨润土或碳酸钠与膨润土高温煅烧，消耗较大量氢氧化钠或碳酸钠原料，煅烧条件下能耗高；2)水玻璃与盐酸或硫酸反应，酸耗大，产生氯化钠或硫酸钠附加值低下的副产物，同时酸性废水的排放带来环境污染。气相法成本高，能耗大，仅适合高档白炭黑产品的生产。

从物质成分变化角度，二氧化硅制备白炭黑实质上是二氧化硅反应再析出过程，采用循环工艺势必能节约大量原料，能大幅度降低成本，然而二氧化硅化学稳定性较强，除苛性碱和氢氟酸，很难参与化学反应。因此，合理的循环工艺选择至关重要。

目前也有一些循环法生产白炭黑的工艺，比如：

公开号CN89105875.3以氟化铵为浸出剂，与二氧化硅细粉加热反应得到氟硅酸铵和氨气，过滤浸出液得到氟硅酸铵溶液，回收的氨气再与氟硅酸铵溶液反应，得到氟化铵和白炭黑。该工艺中氟硅酸铵、氟化铵、氟化氢铵、氨气等含氟、氨污染及堵塞问题尚未解决；二氧化硅原料中混入的杂质未与氟硅酸铵分离，故所得白炭黑纯度较低；硅胶凝胶易堵塞过滤孔道，充分洗净需要消耗大量的洗涤水。

中国专利申请201510201239.X提出了一种循环法制备白炭黑的方法，将氟硅酸与硅石粉反应得到四氟化硅气体，四氟化硅气体用水吸收得到白炭黑产品和氟硅酸，氟硅酸循环使用。由于氟硅酸与二氧化硅反应为可逆反应，故难以充分反应，需要延长反应时间至4～9h，生产率低，能耗高，且挥发的四氟化硅毒性较强，可行性小。

公布号CN102249247A提出了一种用石英粉循环法生产白炭黑的方法，该工艺用氢氧化钠溶液和石英粉反应制备水玻璃，水玻璃溶液通入二氧化碳气体得到硅胶和碳酸钠溶液，过滤干燥得到白炭黑，碳酸钠溶液与氧化钙反应得到氢氧化钠溶液和碳酸钙沉淀，氢氧化钠溶液循环使用，碳酸钙高温分解得到氧化钙，氧化钙循环使用。该工艺中氢氧化钠和石英粉反应时间长达10～16h，温度为120～180℃，同时，需要在1000℃左右下煅烧热分解碳酸钙，不仅生产周期长，产率低，而且能耗很高，不具可行性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术问题，提供一种成本低、能耗低、产品纯度高、环保的制备白炭黑或高纯度二氧化硅的方法。

为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种制备白炭黑或高纯度二氧化硅的方法，包括如下步骤：

1)配制氟硅酸铵溶液和氟化铵溶液，备用；

2)取含有二氧化硅的矿粉与氟化铵溶液加热反应得到固体氟硅酸铵和氨气，得到的氟硅酸铵备用，用于下一个生产周期与氨气反应；

3)将步骤2)得到的氨气通入步骤1)配制的氟硅酸铵溶液中反应，得到硅胶沉淀和含有氟化铵的滤液，将滤液储存备用于下一个生产周期与含有二氧化硅的矿粉反应，洗涤硅胶；

4)步骤3)得到的硅胶经加热干燥后，得到白炭黑产品，煅烧白炭黑即得到高纯度二氧化硅，至此完成第一个生产周期；

5)重新取含有二氧化硅的矿粉与上一个生产周期反应得到的含有氟化铵的滤液反应得到固体氟硅酸铵和氨气；将氨气通入上一个生产周期反应得到的氟硅酸铵配制的溶液中反应，得到硅胶沉淀和含有氟化铵的滤液，硅胶经洗涤、加热干燥后，得到白炭黑产品，煅烧白炭黑即得到高纯度二氧化硅；本生产周期中反应得到的固体氟硅酸铵和氟化铵滤液用于下一个生产周期参与反应；

6)重复步骤5)，即进入了循环生产工艺，每个新的生产周期只需加入含有二氧化硅的矿粉即可。