一种高岭土制白炭黑联产硫酸铝的方法
【专利摘要】本发明涉及一种高岭土制白炭黑联产硫酸铝的方法，主要工艺流程为：高岭土精矿→活化→加酸反应→过滤洗涤、压滤→滤液中和、蒸发、结晶得硫酸铝，滤饼烘干打散即得白炭黑，高岭土采用本工艺生产白炭黑附加硫酸铝是可行的，活化条件和加酸反应是技术关键，原料选择和产品定位则关系到该项目的收益，该项目有良好的经济效益，具有广阔前景。
【专利说明】一种高岭土制白炭黑联产硫酸铝的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化工生产【技术领域】，具体涉及到一种高岭土制白炭黑联产硫酸铝的方法。
【背景技术】
[0002]白炭黑是人工合成的一类硅化合物系化工材料，属精细化工产品范畴。主要成分为二氧化硅，即水合二氧化硅；白炭黑为白色蓬松粉状物，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，具有极强的吸附能力，无毒无味，不燃不爆，耐高温等特点。主要用作橡胶的补强剂及填充剂以制造白色、彩色或透明的橡胶制品，能明显改善橡胶制品的抗拉强度、抗撕裂性和耐磨性，并保持橡胶制品的浅色和透明的特点。还广泛应用于塑料、造纸、农药、医药、涂料、油墨、日用化工、饲料、食品、冶金、水泥、陶瓷、纺织、铸造、机械加工、电线电缆、半导体加工、炸药、消防器材等诸多的工农业、交通运输业产品及航空航天、国防军工产品中。
[0003]硫酸招(Aluminiumsulfate) (Al2 (S04) 3.ΧΗ20),白色或灰白色粉粒状晶体。工业品由于有少量硫酸亚铁存在，而使产品表面发黄。在空气中长期存放易吸潮结块。易溶于水，水溶液呈酸性反应，难溶于醇。过饱和溶液在常温下结晶为无色单斜晶体的18水合物，
8.8°C以下结晶为27水合物。无水物为具有珍珠光泽的白色结晶，粗制品为灰白色、多孔结构的结晶。主要用作造纸施胶剂和饮用水，工业用水及废水处理的絮凝剂。还用作生产人造宝石和其他铝盐，如铵明矾、钾明矾、硬脂酸铝的原料。别外，还广泛用作油脂澄清剂、石油除臭脱色剂、混凝土防水剂和防雨布原料、媒染剂、鞣革剂、医药收剑剂、木材防腐剂及用于泡沫灭火剂等方面。
[0004]目前国内的白炭黑生产工艺主要有沉淀法和气相法。气相法即燃烧四氯化硅而得，沉淀法即酸中和水玻璃而得。近年来又有了非金属矿法，即用膨润土、高岭土、硅藻土、蛋白土、蛇纹石、千枚岩、硅灰石、石英砂、海泡石、凹凸棒石、粉煤灰等非金属矿生产。为白炭黑的生产寻找了新的生产工艺，也为非金属矿的深加工和综合利用开辟了一条新路。
[0005]此外，用非金属矿制备的白炭黑一般亲水性好，具有触变性、生理惰性、高吸收性、分散性和增稠性而在药品、化妆品和农药工业是得到了广泛的应用。白炭黑可改善药粉的流动性、分散性和抗静电性，使液体或粘性物质变为自由流动的粉末，可增进药粉对皮肤的粘附性，作为吸收剂、分散剂可用于西药片剂如维生素C的生产中。其巨大的内、外比表面积，可作为医药和农药载体，用于除草剂可防止结块；用作农药的乳液分散剂、颗粒剂时，能大量吸收杀虫剂农药，然后缓慢释放，提高杀虫效果。在粘接剂和密封剂中，白炭黑主要起增稠、触变和控制流动性作 用，防止填料沉淀，保证自由流动，提高耐温性，增加粘滞度，增强附着力，加快凝固速度。在造纸工业上，白炭黑能使纸张轻量化，适合高速印刷，还可提高纸张的硬度、白度和不透明性，改善油墨的渗透性，使之在耐磨、手感、印刷、光泽性能方面优于不加白炭黑的纸张。
[0006]目前国内的硫酸铝生产工艺主要有:(I)硫酸法:系用硫酸分解铝土矿而得。(2)烧碱法:系用烧碱分解铝土矿生成偏铝酸钠，经水解得氢氧化铝，再将氢氧化铝溶于硫酸而得成品。(3)铝锭下脚料法:将铝锭下脚料溶于硫酸，滤去不溶物，使原料中杂质生成的铵明矾析出并分离后，经蒸发浓缩、冷却固化而得成品。(4)明矾石法:明矾石经煅烧，粉碎后，用硫酸溶解，滤去不溶物，得硫酸铝和钾明矾，母液经蒸发浓缩，冷却固化即得成品。(5)高岭土法:高岭土 (或粘土)经700-800°C煅烧后粉碎，用过量废硫酸分离，中和后用圆盘真空过滤机进行固液分离，然后浓缩，结晶粉碎得产品。(6)氢氧化铝法:由氢氧化铝与硫酸作用制得。该法产品纯度高。目前工业生产中以硫酸法和氢氧化铝法为主。
[0007]用非金属矿制备白炭黑在国外早有研究，奥地利的彼克纳于1985年用蛇纹石制备成白炭黑，国内最早的实验室研究于80年代末期，目前部分申请了专利技术，用高岭土制备白炭黑和硫酸铝也有报道，但是均为单一产品，且多数为采用北方煤系硬质高岭土，由于其加工成本高而未能进一步深入研究。
【发明内容】
[0008]本发明是针对以上问题，提供一种操作方便、安全可靠的一种高岭土制白炭黑联产硫酸铝的方法。
[0009]本发明解决上述技术问题采用的以下技术方案:
[0010](I)高岭土活化
[0011]高岭土活化的目的是为了获得酸分解过程的反应活性，试验采用添加0.2 -
0.3% (与高岭土重量比)改性剂活化的方法，使酸易渗透进入高岭土晶核，使酸分解过程的反应能够顺利进行，改性剂的选择应充分考虑对酸分解过程的促进和不干扰两方面的影响。`
[0012](2)加酸分解
[0013]高岭土加酸分解过程的反应方程式:
[0014]A1203.2Si02.2H20+3H2S04+13H20------A12(S04)318H20+2Si02
[0015]分解反应是本试验的关键步骤，为使反应加快，分解彻底，必须加入过量的硫酸来反应，并采用多道反应。铝的溶出率是其反应是否完全的主要标志，也是提高产品质量、降低生产成本的关键工序。影响铝的溶出率的主要因素有酸浓度、液固比、反应温度和反应时间。
[0016]本试验采用将高岭土加入改性剂、加水调成一定比例的浆，于反应釜中再加入硫酸并利用酸解热进行反应，考虑到生产成本和硫酸铝的质量，在合理调节硫酸用量的情况下，通过控制酸浓度、液固比、反应温度、反应压力和反应时间，取得了较满意的效果，并不再进行二次反应。
[0017](3)固-液分离
[0018]固液分离即硫酸铝和白炭黑的分离，液体为硫酸铝，固体(滤渣)为白炭黑。本试验采用高密度工业滤布人工过滤，为使白炭黑更纯净、硫酸铝全部回收，漂洗滤渣5次，滤液回收循环利用，在实际生产中用板框压滤机分离很方便。
[0019](4)浓缩与烘干
[0020]硫酸铝只需经过蒸发滤液水分即可得到相应结晶水的硫酸铝最终产品。而白炭黑则是由滤渣过滤再干燥、打散而得。本试验采用将前两遍滤液用于蒸发浓缩得到最终的硫酸铝产品、后三遍低浓度洗液循环利用。将湿滤渣(含水分的白炭黑)盛于搪瓷盆中，置于干燥炉中干燥至水分< 1.0，经打散最终的白炭黑产品。
[0021]在具体生产过程中的具体数据如下:
[0022]1.原料选择[0023]由于我们最终得到的产品中真正有用的成分是硅和铝，因此高岭土的纯度越高越好，但从经济角度出发，还要考虑合适的性价比，一般选用普通325目水洗土即可，在此基础上选择含铝高、白度高、杂质低的高岭土作为原料。
[0024]在实际采购过程中，除了对高岭土的理化指标控制外，还应知道其矿物组成。原料要求A1203≥37.5%，Fe203 ( 1.0%，高岭石含量大于90%，否则原料消耗成本高、生产工艺条件难控制、产品质量差，最终影响其经济效益。
[0025]2.反应条件
[0026]工艺控制对最终产品的质量有很大关系，影响的工艺参数也很多，根据试验，主要有如下几个方面。
[0027](a)硫酸浓度
[0028]根据试验，最佳硫酸浓度在50 - 55%之间，浓度高，反应快，效率高，但是白炭黑的颗粒较大，比表面积小，松散密度大，吸油值有所下降；浓度低，反应速度慢，效率低，反应不完全。
[0029](b)反应速度
[0030]除了控制酸浓度影响反应速度外，如何控制反应温度、反应压力和反应时间也是获取闻质量的广品和提闻效率的关键。随着温度的升闻，硫酸的反应活性开始被逐渐激发出来；当温度升到一个高度后，硫酸的活性开始下降。硫酸与高岭土反应是放热反应，在反应过程中，对于无孔实心的固体颗粒，硫酸逐步从液相向固相扩散，要求耗费足够的时间，但是当反应时间太长而效率提高不大，反而会降低生产能力。一般浸出时间为I~3h (二次反应总时间)。由于实验室条件限制，本试验在常压进行，在实际生产中可以加压反应，以提闻反应效率。
[0031]为了选择最佳反应条件，以最佳煅烧条件煅烧的高岭土为原料，PH值控制在3，二次反应，应用正交试验法进行试验设计，对浓度，选择5%、10%、15%、20%4个不同浓度水平，对反应温度，选择80°C、、90°C、、100°C、110°C、120°C 5个不同反应温度水平进行了实验比较，以白炭黑质量作为主要判定依据。根据试验结果，再以首次最佳温度为中心温度，选择±5°C为反应温度，以首次最佳浓度为中心浓度，选择±2%为反应浓度，再次正交试验设计并试验，最终确定最佳反应温度、最佳浓度。
[0032]根据实验，酸熔工艺最佳条件是:最佳PH值最佳范围是2-4之间，浓度15%左右为最佳，而反应温度90-100°C为最佳温度，硫酸过量20%并进行二次反应；而且，在反应基本结束时候，陈腐6-8小时可以获得最佳效果。
[0033]PH值PH值除了和酸浓度一样的控制反应速度和影响产品质量外，也是提取硫酸铝是否完全的关键。根据实验，最佳范围是2-4之间。
[0034]3.水洗
[0035]水洗是分离两种产品的关键，是影响最终产品质量的关键工序，以最终洗至PH值6-7为宜。在实际生产中可在压滤机上进行，废水可循环使用，以节约时间和成本。[0036]4.蒸发和烘干
[0037]滤液经加热蒸发中和调整即可得到硫酸铝产品，由于氨水价格便宜、来源广泛，用氨水进行中和较适宜，调整硫酸铝产品中的游离酸，在蒸发过程中控制结晶度而获得不同结晶水的硫酸铝产品。本试验是以18水硫酸铝作为最终产品。滤饼经过烘干即可得到白炭黑产品，水分控制在3%以内，根据不同用户需求，可将白炭黑再进行细磨，得到不同细度的最终白炭黑产品。
[0038]本发明的效果:
[0039]高岭土采用本工艺生产白炭黑附加硫酸铝是可行的，活化条件和加酸反应是技术关键，原料选择和产品定位则关系到该项目的收益，该项目有良好的经济效益，具有广阔前景。本法具有三大优势:(I)质量不低于沉淀法；(2)其制造成本与沉淀法相当，固定资产投入是沉淀法的1/3 ; (3)无三废，原料各地均有。建造大中型厂的原料，国内广泛，特别是那些不适宜作为陶瓷原料和造纸涂料的大量高岭土，取代传统沉淀法是科技优胜劣汰的必然结果。市场预测:沉淀法白炭黑国内年约耗20万以上，该法生产白炭黑质优于沉淀法，扣除新技术带来增值部份，成本很低，可独占国内市场。
【具体实施方式】
[0040]1.原料选择
[0041]由于我们最终得到的产品中真正有用的成分是硅和铝，因此高岭土的纯度越高越好，但从经济角度出发，还要考虑合适的性价比，一般选用普通325目水洗土即可，在此基础上选择含铝高、白度高 、杂质低的高岭土作为原料。
[0042]在实际采购过程中，除了对高岭土的理化指标控制外，还应知道其矿物组成。原料要求A1203≥37.5%，Fe203 ( 1.0%，高岭石含量大于90%，否则原料消耗成本高、生产工艺条件难控制、产品质量差，最终影响其经济效益。
[0043]2.反应条件
[0044]工艺控制对最终产品的质量有很大关系，影响的工艺参数也很多，根据试验，主要有如下几个方面。
[0045](a)硫酸浓度
[0046]根据试验，最佳硫酸浓度在50 - 55%之间，浓度高，反应快，效率高，但是白炭黑的颗粒较大，比表面积小，松散密度大，吸油值有所下降；浓度低，反应速度慢，效率低，反应不完全。
[0047](b)反应速度
[0048]除了控制酸浓度影响反应速度外，如何控制反应温度、反应压力和反应时间也是获取闻质量的广品和提闻效率的关键。随着温度的升闻，硫酸的反应活性开始被逐渐激发出来；当温度升到一个高度后，硫酸的活性开始下降。硫酸与高岭土反应是放热反应，在反应过程中，对于无孔实心的固体颗粒，硫酸逐步从液相向固相扩散，要求耗费足够的时间，但是当反应时间太长而效率提高不大，反而会降低生产能力。一般浸出时间为I~3h (二次反应总时间)。由于实验室条件限制，本试验在常压进行，在实际生产中可以加压反应，以提闻反应效率。
[0049]为了选择最佳反应条件，以最佳煅烧条件煅烧的高岭土为原料，PH值控制在3，二次反应，应用正交试验法进行试验设计，对浓度，选择5%、10%、15%、20%4个不同浓度水平，对反应温度，选择80°C、、90°C、、100°C、110°C、120°C 5个不同反应温度水平进行了实验比较，以白炭黑质量作为主要判定依据。根据试验结果，再以首次最佳温度为中心温度，选择±5°C为反应温度，以首次最佳浓度为中心浓度，选择±2%为反应浓度，再次正交试验设计并试验，最终确定最佳反应温度、最佳浓度。
[0050]根据实验，酸熔工艺最佳条件是:最佳PH值最佳范围是2-4之间，浓度15%左右为最佳，而反应温度90-100°C为最佳温度，硫酸过量20%并进行二次反应；而且，在反应基本结束时候，陈腐6-8小时可以获得最佳效果。
[0051]PH值PH值除了和酸浓度一样的控制反应速度和影响产品质量外，也是提取硫酸铝是否完全的关键。根据实验，最佳范围是2-4之间。
[0052]3.水洗
[0053]水洗是分离两种产品的关键，是影响最终产品质量的关键工序，以最终洗至PH值6-7为宜。在实际生产中可在压滤机上进行，废水可循环使用，以节约时间和成本。
[0054]4.蒸发和烘干
[0055]滤液经加热蒸发中和调整即可得到硫酸铝产品，由于氨水价格便宜、来源广泛，用氨水进行中和较适宜，调整硫酸铝产品中的游离酸，在蒸发过程中控制结晶度而获得不同结晶水的硫酸铝产品。本试验是以18水硫酸铝作为最终产品。滤饼经过烘干即可得到白炭黑产品，水分控制在3%以内，根据不同用户需求，可将白炭黑再进行细磨，得到不同细度的最终白炭黑产品。
[0056]以上所述的实施例，只是本发明较优选的【具体实施方式】的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通`常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种高岭土制白炭黑联产硫酸铝的方法，其特征在于:具体步骤如下: (1)高岭土活化 高岭土活化采用添加0.2 — 0.3% (与高岭土重量比)改性剂活化的方法。 (2)加酸分解 本试验采用将高岭土加入改性剂、加水调成一定比例的浆,于反应釜中再加入硫酸并利用酸解热进行反应，硫酸浓度在50 - 55%之间，一般浸出时间为I~3h。 (3)固-液分离 固液分离即硫酸铝和白炭黑的分离，液体为硫酸铝，固体(滤渣)为白炭黑，最终洗至PH值6-7为宜。 (4)浓缩与烘干 将前两遍滤液用于蒸发浓缩得到最终的硫酸铝产品、后三遍低浓度洗液循环利用，将湿滤渣(含水分的白炭黑)盛于搪瓷盆中，置于干燥炉中干燥至水分< 1.0，经打散最终的白炭黑产品。
【文档编号】C01B33/12GK103818909SQ201310165242
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年5月8日 优先权日:2013年5月8日
【发明者】朱源德 申请人:福建龙岩精博化工科技有限公司