一种利用淀粉和煤矸石制备纳米白炭黑的方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用淀粉和煤矸石制备纳米白炭黑的方法，属于白炭黑制备技术领域。本发明通过对葛根进行人工捣碎研磨，水洗沉淀获得葛根淀粉，再将煤矸石和纯碱混合共熔后水淬得到的粗硅酸钠，利用高压溶解于去离子水中，加酸水解并加入葛根淀粉吸附二氧化硅，煅烧后即得纳米白炭黑。本发明制备的纳米白炭黑不易团聚，粒子分散性能好，氮吸附比表面积为175～200m2/g；且制备工艺简单，制备过程能耗低，所需成本低。
【专利说明】
一种利用淀粉和煤矸石制备纳米白炭黑的方法
技术领域
[0001]
本发明涉及一种利用淀粉和煤矸石制备纳米白炭黑的方法，属于白炭黑制备技术领域。
【背景技术】
[0002]
白炭黑即非晶态二氧化硅，分子式为S12.ηΗ20，是一种白色、无毒、无定型微细粉状物，具有多孔性、高分散性、质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧和电绝缘性好等优异性能。白炭黑的制备方法有很多，其中非金属矿法是制备白炭黑的新方法。非金属矿法是以富含的非金属矿为原料，通过化学方法把结晶态的二氧化硅转变为非晶态的二氧化硅，从而制得符合不同要求的超细的、高比表面积的白炭黑。
[0003]煤矸石是与煤伴生的岩石，是煤矿加工生产中被分离出来的固体废渣，是多种矿物岩石组成的混合物，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一，为原煤产量的15%?20%，而且排放量仍在逐年增长。大量煤矸石排出，既占去了大量的耕地，同时有些煤矸石易燃，严重污染环境，对农作物和人类都造成危害。随着科学的发展，人们逐渐认识到煤矸石也是可利用的一种资源。近年来，我国在众多领域展开了煤矸石综合利用研究，其中以煤矸石为主要原料制备白炭黑，具有良好的经济效益与社会效益。白炭黑为具有较高活性的无定形S12,在轮胎、乳胶、塑料、化妆品、造纸和肥料等行业具有广泛的应用。
[0004]由于纳米白炭黑有极大地比表面积和表面能，在制备过程中由于粒子间普遍存在的范德华力、库仑力甚至是化学键作用，极易发生团聚，使得粉体粒子不能以纳米粒级均匀而稳定分散，导致应用时应有的性能降低或者失去。
【发明内容】
[0005]
本发明所要解决的技术问题:针对纳米白炭黑有极大的比表面积和表面能，在制备过程中由于粒子间普遍存在的范德华力、库仑力甚至是化学键作用，极易发生团聚，使得粉体粒子不能以纳米粒级均匀而稳定分散，导致应用时应有的性能降低或者失去的缺陷，本发明通过对葛根进行人工捣碎研磨，水洗沉淀获得葛根淀粉，再将煤矸石和纯碱混合共熔后水淬得到的粗硅酸钠，利用高压溶解于去离子水中，加酸水解并加入葛根淀粉吸附二氧化硅，煅烧后即得纳米白炭黑。本发明通过葛根淀粉的多羟基特性，与硅酸钠溶液水解析出的白炭黑表面产生化学键和物理吸附，均匀的排列在淀粉颗粒表面，减少了白炭黑间的范德华力，阻止了它们相互吸引而发生团聚的现象，最后经高温煅烧热解淀粉，即可得到纳米白炭黑，本发明解决了传统白炭黑制备过程中极易发生团聚，使得粉体粒子不能以纳米粒级均匀而稳定分散，导致应用时性能降低或者失去的问题，具有广阔的生产前景。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
(I)称取2?3kg葛根放入超声清洗仪中以200?300W功率清洗10?15min，取出清洗后的葛根自然晾干，将晾干后的葛根人工切成5?8cm的小段，再将得到的小段放入石白中，用石I午捣碎研磨I?2h;
(2)待研磨结束后，用8?1L去离子水冲洗石臼中捣碎后的葛根，收集乳白色冲洗液并将其装入陶瓷罐中，在4?6°C的冰水浴中静置过夜，分离去除上层清液，得到底部糊状葛根淀粉浆，最后放入40?50°C烘箱中干燥7?8h，得葛根淀粉，备用；
(3)称取2?3kg煤矸石放入球磨机中，按球料比为30:1向球磨罐中加入不锈钢球磨珠，研磨结束后出料并过150目标准筛得到煤矸石粉末，再将煤矸石粉末和碳酸钠按质量为1:40混合均匀后一起放入马弗炉，以5°C/min速率程序升温至800?900°C，共混冶熔I?2h;
(4)待冶熔结束后，将熔融物立即倒入沸水中水淬，过滤得到粗硅酸钠固体，将其放入高压反应釜中，再加入粗硅酸钠固体质量3?5倍的蒸馏水，在8?1MPa和120?150°C的条件下搅拌溶解6?Sh，过滤分离去除滤渣，得到硅酸钠溶液；
(5 )向上述硅酸钠溶液中加入等体积质量浓度为5%硫酸溶液，常温下酸浸8?1h，再用浓度为0.3mol/L氢氧化钠溶液调节pH至7.0?7.5，再按固液比为1: 5向里加入备用的葛根淀粉，搅拌均匀后升温至50?55°C保温熟化20?30min，将产物倒入布氏漏斗，用去离子水抽滤洗涤3?5遍得到滤渣；
(6)将上述得到的滤渣放入马弗炉中，以3?5°C/min速率程序升温至400?500°C，保温煅烧2?3h后出料，得到的白色粉末即为纳米白炭黑。
[0007]本发明制备的纳米白炭黑氮吸附比表面积为175?200m2/g，500%定伸应力为
7.5MPa以上，拉断伸长率大于820%，拉伸强度大于25MPa，DBP吸收值为2.3?3.4cm2/g。
[0008]本发明与其他方法相比，有益技术效果是:
(I)本发明制备的纳米白炭黑不易团聚，粒子分散性能好，氮吸附比表面积为175?200m2/g;
(2 )本发明制备的纳米白炭黑制备工艺简单，制备过程能耗低，所需成本低。
【具体实施方式】
[0009]首先称取2?3kg葛根放入超声清洗仪中以200?300W功率清洗10?15min，取出清洗后的葛根自然晾干，将晾干后的葛根人工切成5?8cm的小段，再将得到的小段放入石臼中，用石杵捣碎研磨I?2h;待研磨结束后，用8?1L去离子水冲洗石臼中捣碎后的葛根，收集乳白色冲洗液并将其装入陶瓷罐中，在4?6°C的冰水浴中静置过夜，分离去除上层清液，得到底部糊状葛根淀粉浆，最后放入40?50°C烘箱中干燥7?8h，得葛根淀粉，备用;再称取2?3kg煤矸石放入球磨机中，按球料比为30:1向球磨罐中加入不锈钢球磨珠，研磨结束后出料并过150目标准筛得到煤矸石粉末，再将煤矸石粉末和碳酸钠按质量为1:40混合均匀后一起放入马弗炉，以5°C/min速率程序升温至800?900°C，共混冶熔I?2h;
待冶熔结束后，将熔融物立即倒入沸水中水淬，过滤得到粗硅酸钠固体，将其放入高压反应釜中，再加入粗硅酸钠固体质量3?5倍的蒸馏水，在8?1MPa和120?150°C的条件下搅拌溶解6?8h，过滤分离去除滤渣，得到硅酸钠溶液;接着向上述硅酸钠溶液中加入等体积质量浓度为5%硫酸溶液，常温下酸浸8?1h，再用浓度为0.3mol/L氢氧化钠溶液调节pH至7.0?7.5，再按固液比为1:5向里加入备用的葛根淀粉，搅拌均匀后升温至50?55°C保温熟化20?30min，将产物倒入布氏漏斗，用去离子水抽滤洗涤3?5遍得到滤渣;最后将上述得到的滤渣放入马弗炉中，以3?5°C/min速率程序升温至400?500°C，保温煅烧2?3h后出料，得到的白色粉末即为纳米白炭黑。
[0010]实例I
首先称取3kg葛根放入超声清洗仪中以300W功率清洗15min，取出清洗后的葛根自然晾干，将晾干后的葛根人工切成8cm的小段，再将得到的小段放入石白中，用石杵捣碎研磨2h;待研磨结束后，用1L去离子水冲洗石白中捣碎后的葛根，收集乳白色冲洗液并将其装入陶瓷罐中，在6°C的冰水浴中静置过夜，分离去除上层清液，得到底部糊状葛根淀粉浆，最后放入50°C烘箱中干燥8h，得葛根淀粉，备用;再称取3kg煤矸石放入球磨机中，按球料比为30:1向球磨罐中加入不锈钢球磨珠，研磨结束后出料并过150目标准筛得到煤矸石粉末，再将煤矸石粉末和碳酸钠按质量为1:40混合均匀后一起放入马弗炉，以5°C/min速率程序升温至900°C，共混冶熔2h;待冶熔结束后，将熔融物立即倒入沸水中水淬，过滤得到粗硅酸钠固体，将其放入高压反应釜中，再加入粗硅酸钠固体质量5倍的蒸馏水，在1MPa和150 V的条件下搅拌溶解8h，过滤分离去除滤渣，得到硅酸钠溶液;接着向上述硅酸钠溶液中加入等体积质量浓度为5 %硫酸溶液，常温下酸浸1 h，再用浓度为0.3 m ο I / L氢氧化钠溶液调节P H至7.5，再按固液比为1:5向里加入备用的葛根淀粉，搅拌均匀后升温至55°(:保温熟化301^11，将产物倒入布氏漏斗，用去离子水抽滤洗涤5遍得到滤渣;最后将上述得到的滤渣放入马弗炉中，以5°C/min速率程序升温至500°C，保温煅烧3h后出料，得到的白色粉末即为纳米白炭
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[0011]经检测，本发明制备的纳米白炭黑氮吸附比表面积为200m2/g，500%定伸应力为
7.8MPa，拉断伸长率为825 %，拉伸强度为26MPa，DBP吸收值为3.4cm2/g。
[0012]实例2
首先称取2kg葛根放入超声清洗仪中以200W功率清洗1min，取出清洗后的葛根自然晾干，将晾干后的葛根人工切成5cm的小段，再将得到的小段放入石臼中，用石杵捣碎研磨Ih;待研磨结束后，用8L去离子水冲洗石臼中捣碎后的葛根，收集乳白色冲洗液并将其装入陶瓷罐中，在4°C的冰水浴中静置过夜，分离去除上层清液，得到底部糊状葛根淀粉浆，最后放入40°C烘箱中干燥7h，得葛根淀粉，备用;再称取2kg煤矸石放入球磨机中，按球料比为30:1向球磨罐中加入不锈钢球磨珠，研磨结束后出料并过150目标准筛得到煤矸石粉末，再将煤矸石粉末和碳酸钠按质量为1:40混合均匀后一起放入马弗炉，以5°C/min速率程序升温至800°C，共混冶熔Ih;待冶熔结束后，将熔融物立即倒入沸水中水淬，过滤得到粗硅酸钠固体，将其放入高压反应釜中，再加入粗硅酸钠固体质量3倍的蒸馏水，在8MPa和120°C的条件下搅拌溶解6h，过滤分离去除滤渣，得到硅酸钠溶液;接着向上述硅酸钠溶液中加入等体积质量浓度为5%硫酸溶液，常温下酸浸8h，再用浓度为0.3mol/L氢氧化钠溶液调节pH至7.0，再按固液比为1:5向里加入备用的葛根淀粉，搅拌均匀后升温至50°(:保温熟化201^11，将产物倒入布氏漏斗，用去离子水抽滤洗涤3遍得到滤渣；最后将上述得到的滤渣放入马弗炉中，以3°C/min速率程序升温至400°C，保温煅烧2h后出料，得到的白色粉末即为纳米白炭
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[0013]本发明制备的纳米白炭黑氮吸附比表面积为175m2/g，500 %定伸应力为7.7MPa，拉断伸长率为830 %，拉伸强度为30MPa，DBP吸收值为2.3cm2/g。
[0014]实例3 首先称取2.5kg葛根放入超声清洗仪中以250W功率清洗12min，取出清洗后的葛根自然晾干，将晾干后的葛根人工切成6cm的小段，再将得到的小段放入石白中，用石杵捣碎研磨2h;待研磨结束后，用9L去离子水冲洗石臼中捣碎后的葛根，收集乳白色冲洗液并将其装入陶瓷罐中，在5°C的冰水浴中静置过夜，分离去除上层清液，得到底部糊状葛根淀粉浆，最后放入45°C烘箱中干燥7h，得葛根淀粉，备用;再称取2.5kg煤矸石放入球磨机中，按球料比为30:1向球磨罐中加入不锈钢球磨珠，研磨结束后出料并过150目标准筛得到煤矸石粉末，再将煤矸石粉末和碳酸钠按质量为1:40混合均勾后一起放入马弗炉，以5°C/min速率程序升温至850 V，共混冶熔2h;待冶熔结束后，将熔融物立即倒入沸水中水淬，过滤得到粗硅酸钠固体，将其放入高压反应釜中，再加入粗硅酸钠固体质量4倍的蒸馏水，在9MPa和130 V的条件下搅拌溶解7h，过滤分离去除滤渣，得到硅酸钠溶液;接着向上述硅酸钠溶液中加入等体积质量浓度为5 %硫酸溶液，常温下酸浸9 h，再用浓度为0.3 m ο I / L氢氧化钠溶液调节P H至7.2，再按固液比为1:5向里加入备用的葛根淀粉，搅拌均匀后升温至52°(:保温熟化251^11，将产物倒入布氏漏斗，用去离子水抽滤洗涤4遍得到滤渣;最后将上述得到的滤渣放入马弗炉中，以4°C/min速率程序升温至450°C，保温煅烧3h后出料，得到的白色粉末即为纳米白炭
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[0015]本发明制备的纳米白炭黑氮吸附比表面积为180m2/g，500%定伸应力为7.8MPa，拉断伸长率为830%，拉伸强度为28MPa，DBP吸收值为3.lcm2/g。
【主权项】
1.一种利用淀粉和煤矸石制备纳米白炭黑的方法，其特征在于具体制备步骤为: (1)称取2?3kg葛根放入超声清洗仪中以200?300W功率清洗10?15min，取出清洗后的葛根自然晾干，将晾干后的葛根人工切成5?8cm的小段，再将得到的小段放入石白中，用石I午捣碎研磨I?2h; (2)待研磨结束后，用8?1L去离子水冲洗石臼中捣碎后的葛根，收集乳白色冲洗液并将其装入陶瓷罐中，在4?6°C的冰水浴中静置过夜，分离去除上层清液，得到底部糊状葛根淀粉浆，最后放入40?50°C烘箱中干燥7?8h，得葛根淀粉，备用； (3)称取2?3kg煤矸石放入球磨机中，按球料比为30:1向球磨罐中加入不锈钢球磨珠，研磨结束后出料并过150目标准筛得到煤矸石粉末，再将煤矸石粉末和碳酸钠按质量为1:40混合均匀后一起放入马弗炉，以5°C/min速率程序升温至800?900°C，共混冶熔I?2h; (4)待冶熔结束后，将熔融物立即倒入沸水中水淬，过滤得到粗硅酸钠固体，将其放入高压反应釜中，再加入粗硅酸钠固体质量3?5倍的蒸馏水，在8?1MPa和120?150°C的条件下搅拌溶解6?Sh，过滤分离去除滤渣，得到硅酸钠溶液； (5 )向上述硅酸钠溶液中加入等体积质量浓度为5%硫酸溶液，常温下酸浸8?1h，再用浓度为0.3mol/L氢氧化钠溶液调节pH至7.0?7.5，再按固液比为1: 5向里加入备用的葛根淀粉，搅拌均匀后升温至50?55°C保温熟化20?30min，将产物倒入布氏漏斗，用去离子水抽滤洗涤3?5遍得到滤渣； (6)将上述得到的滤渣放入马弗炉中，以3?5°C/min速率程序升温至400?500°C，保温煅烧2?3h后出料，得到的白色粉末即为纳米白炭黑。
【文档编号】B82Y30/00GK106082240SQ201610636148
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月5日 公开号201610636148.3, CN 106082240 A, CN 106082240A, CN 201610636148, CN-A-106082240, CN106082240 A, CN106082240A, CN201610636148, CN201610636148.3
【发明人】江黛玉, 薛培龙, 林茂平
【申请人】宁波高新区斯汀环保科技有限公司