金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法及白炭黑技术

本发明专利技术涉及金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法及白炭黑，将金属硅粉在碱性水溶液中进行水解反应，反应产物由沉淀物与溶液产物构成；沉淀物经过酸洗、水洗、干燥、粉碎即得白炭黑；所述白炭黑中二氧化硅的质量含量≥90％；溶液产物是高模数水玻璃，其模数高于3.5。与沉淀法白炭黑工业生产方法比较，本发明专利技术的方法不仅流程简短，操作方便，而且不需要使用大量的酸，也不会产生大量的含盐废水，能够减少环境污染，降低碳排放。产物白炭黑可广泛应用于橡胶、造纸、牙膏等方面；另外，本发明专利技术同时生产高模数的水玻璃，也有广泛的用途，如作为粘合剂、生产硅溶胶等，相较于普通模数的水玻璃具有更高的市场价值。玻璃具有更高的市场价值。玻璃具有更高的市场价值。

【技术实现步骤摘要】
金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法及白炭黑


[0001]本专利技术涉及金属硅粉应用领域，具体涉及通过工业金属硅粉或者回收的金属硅粉制备白炭黑和高模数水玻璃的方法，及该方法制得的白炭黑产品。

技术介绍

[0002]目前，在太阳能硅片、有机硅单体生产过程中，产生大量的粉状金属硅废料，主要来源于：太阳能硅片生产过程切割硅片时，产生约总质量30％的切割硅粉，这部分硅粉一般作为工业废弃物处理，未能充分利用。在有机硅单体生产过程，会产生大量的含硅浆渣，提取金属后产生的硅粉一般作为工业废弃物处理。如何有效回收利用金属硅粉废弃物是亟待解决的经济、环境、技术问题。
[0003]本行业公知的，单质硅是一种非金属元素，但习惯上还是称单晶硅、多晶硅为金属硅。金属硅与纯水在常态下几乎不反应，或者反应非常缓慢，而在碱性溶液中反应剧烈：
[0004]Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑
[0005]现有公开专利中有涉及硅废料的回收利用技术，如先生成水玻璃(原理见上述反应式)，再制备白炭黑。其方法是硅粉与强碱生成水玻璃，再用通用的工业生产方法生产白炭黑。沉淀法白炭黑的工业生产方法，通常是将稀水玻璃与稀酸混合，调节pH在7
‑
9的范围，沉淀出二氧化硅，经洗涤、干燥、粉碎后为成品白炭黑。生产过程需要使用大量的硫酸、盐酸等，产生大量的含盐废水，如使用模数为3.3的水玻璃为原料，每生产一吨白炭黑大约消耗480公斤98％硫酸(参见附图1：沉淀法白炭黑的业生产流程示意图)。
[0006]如专利CN101691216B公开了一种从线切割废砂浆中回收碳化硅联产白炭黑的方法。该方法中涉及到砂浆中的硅粉的回收利用，使用了目前最常规的两步法生产白炭黑，具体为：先将硅粉与高浓度氢氧化钠水溶液反应，生成硅酸钠，然后在硅酸钠水溶液中加入少量高模数水玻璃，最后用酸析出二氧化硅沉淀即得白炭黑。
[0007][0008]反应2：Na2O
·
mSiO2+2HCl
→
2NaCl+mSiO2·
nH2O
↓ꢀꢀꢀ
(2)
[0009]如专利CN10287773B公开了一种白炭黑的制备方法及白炭黑，主要利用水玻璃溶液与浓硫酸混合得到白炭黑合成液，再进行后续处理得到白炭黑产品。
[0010]如专利103435050A中公开了一种从单晶硅环保废砂浆中制备白炭黑的方法，将废砂浆预处理后，在固态料中加入氢氧化钠溶液，生产水玻璃及氢气；再在水玻璃溶液中加碳酸氢钠或碳酸氢钾，陈化后过滤，洗涤，干燥，粉粹制成白炭黑。
[0011]另外，专利CN102746935B还公开了一种硅切割废砂浆回收利用的方法，主要工序为将废砂浆固液分离，固体流水洗、真空抽滤，将所得滤饼烘干，与去离子水混合并活化反应；先后加入水玻璃、氢氧化钠，加热反应；所得产物固液分离，将所得液相通过离子交换树脂脱色、蒸馏得到硅溶胶。该方法主要是通过含硅的废料制备硅溶胶。
[0012]其反应原理如下，
[0013][0014]mSiO5+nH2SiO5→
(m+n)SiO2+(m+n)OH
‑
[0015]
技术实现思路

[0016]有鉴于此，本专利技术提供一种回收利用废硅粉或者直接利用工业金属硅粉来制备白炭黑的方法，并且该方法还能同时制备高模数水玻璃。本专利技术还提供上述方法制得的白炭黑产品。
[0017]具体的，基于单质硅的化学性质：在碱性条件下，金属硅与水反应，生成硅酸盐、多硅酸盐；硅酸盐、多硅酸盐的溶解度比较低，浓度高的情况下会析出多聚硅酸/二氧化硅沉淀。而金属硅与水反应是不可逆的，生成的多硅酸盐达到一定浓度，必然会沉淀出多聚硅酸/二氧化硅。因此，在合适的条件下，理论上金属硅与水的反应可以持续进行，直到金属硅完全反应。但在实际实验中本专利技术人发现，金属硅粉在反应到一定程度时会被析出的多聚硅酸/二氧化硅沉淀附着，而遏制其继续反应。而在某些条件下，也并不能如愿产生持续的沉淀，或者根本不产生沉淀物。
[0018]通过大量的实验与探索，本专利技术人摸索出金属硅粉能够完全反应的工艺参数，且该反应能够持续生产多聚硅酸/二氧化硅沉淀物，即一步反应就能制得白炭黑(参见附图2所示的工艺流程图)。更进一步的，本专利技术人还惊喜的发现在某些特定的反应参数下，除了生成二氧化硅沉淀物，同时生成的溶液产物是高模数水玻璃溶液。
[0019]进一步的，本专利技术在对二氧化硅沉淀物的处理方式上，因为二氧化硅沉淀物会附着一些碱性溶液，PH值在9
‑
11之间，仅需少量的酸进行中和，之后再水洗、干燥、粉碎即可得到白炭黑成品。相较于现有沉淀法白炭黑工业生产方法，其酸用量大幅减少。
[0020]因此，本专利技术开发出一种金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法。具体反应原理如下：
[0021]Si+OH
‑
+H2O
→
(Si
x
O
y
)
a
‑
+SiO2↓
+H2↑
[0022]Si：金属硅；
[0023]OH
‑
：氢氧根离子，由溶液中的碱性物质提供；
[0024](Si
x
O
y
)
a
‑
：反应完成后溶液中的硅酸根、多硅酸根；a＝2，4，6；y＝(4x
–
a)/2；
[0025]SiO2：反应生成的二氧化硅沉淀；
[0026]H2：反应生成的氢气。
[0027]通过上述反应原理可知，反应产物一部分为沉淀物产物，一部分为溶液产物。溶液产物含有硅酸根/多硅酸根和碱金属离子，即水玻璃溶液。通过测定溶液产物的模数，其高于一般的水玻璃模数，如高于3.5，进一步的，能稳定达到3.5～6，而普通钠水玻璃和钾水玻璃的模数一般为2～3.5。这样的高模数水玻璃具有非常高的市场应用价值，而且在本专利技术的反应中还能再次作为碱性水溶液原料使用，进一步减少本专利技术的成本投入，减少盐类副产物。
[0028]具体反应过程如下：
[0029]金属硅粉在碱性水溶液中进行水解反应，反应产物由沉淀物与溶液产物构成；沉淀物进行酸洗、水洗、干燥、粉碎即得白炭黑；
[0030]所述白炭黑中二氧化硅的质量含量≥90％；溶液产物是高模数水玻璃，其模数高于3.5，一般能达到3.5～6。
[0031]所述反应的反应温度为：80～100℃。
[0032]所述碱性水溶液的PH值为≥10，如选择10，10.5，11，11.6，12，12.7，13，13.5，13.8，14等，优选的，PH值11～14；可选的，PH值>14。
[0033]所述反应的投料比为：硅与碱性水溶液中的碱金属的摩尔比为2～5，如选择2，2.4，3，4，4.4，4.8，5等。如果使用硅酸钠(水玻璃)、硅酸钾(钾水玻璃)，投料比计算包含其中的硅。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法，其特征在于：金属硅粉在碱性水溶液中进行水解反应，反应产物由沉淀物与溶液产物构成；沉淀物经过酸洗、水洗、干燥、粉碎即得白炭黑；所述白炭黑中二氧化硅的质量含量≥90％；溶液产物是高模数水玻璃，其模数高于3.5；所述反应的反应温度为：80～100℃；所述碱性水溶液的PH值为≥10；所述反应的投料比为：硅与碱性水溶液中的碱金属的摩尔比为2～5。2.根据权利要求1所述的金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述碱性水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、水玻璃或者钾水玻璃中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述碱性水溶液为水玻璃或者钾水玻璃中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述碱性水溶液PH值为11～14或PH值>14。5.根据权利要求1所述的金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法，其特征在于：所述反应温度可一次加热达到，也可分步分阶梯加热达到。6.根据权利要求1所述的金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法，其特征在于：还可对所述反应进行预加热，如先对碱性水溶液加热至50
‑
80℃再加入金属硅粉。7.根据权利要求1所述的金属硅粉同时制备白炭黑和高模数水玻璃的方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈广强，时文金，王军，崔孟忠，
申请(专利权)人：青岛君强新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：