Banner
四种提纯技术,让昔日漫天飞舞的硅灰摇身工业原料大咖!
- 2019-09-21 -

    微硅粉作为工业冶炼的副产物,其产量随金属硅及硅铁合金的产量逐年增长。2015年,中国金属硅产量约为215万t,硅铁产量约为349万t。按照每3t金属硅产出1t微硅粉,每5t硅铁产出1t微硅粉计算,仅2015年中国就生产约142万t微硅粉。微硅粉具有颗粒细小、质量轻、比表面积大、火山灰活性强、耐火度高等性能,如果直接排放到空气中或捕集后大量堆放,会造成大气污染或引起扬尘,对人类健康和周边环境构成严重威胁。

    二氧化硅含量(质量分数,下同)低于88%的微硅粉产品基本没有市场,经济效益低下,含量为88%~92%的主要用于混凝土或水泥行业,含量大于92%的可用于耐火材料乃至其他高价值领域。提高二氧化硅的品位能拓展产品的应用领域,增加产品的经济附加值。因此,对微硅粉的提纯技术进行研究具有重要的意义。

1、煅烧法提纯

    煅烧法是将微硅粉进行高温煅烧,使碳、硫、灰分等非金属氧化物杂质以气态的形式排除,提高产品的纯度。使用自制的流化床作为反应装置,通过改变进入流化床的气体流速使微硅粉达到最佳流化效果。结果表明,在空气的气氛下,煅烧温度设置为700℃,反应时间为3h,样品中二氧化硅质量分数从81.62%升至86.97%,游离碳质量分数从1.25%降至0.027%,烧失量从3.36%降至0.99%,样品颗粒粒度变大,表面光滑度提高。

    使用流化床煅烧塔,在富氧的环境下提纯微硅粉,能够提高提纯效率,缩短煅烧时间,加快微硅粉中残留碳的氧化速率,有效预防微硅粉中二氧化硅颗粒的黏结团聚和熔融。结果表明,在氧气气氛达到32%、煅烧温度为900℃、煅烧时间为3h的反应条件下,可以达到最佳除碳效果。

    采用煅烧法提纯微硅粉效果较为明显,适应性强且除碳效率高。但煅烧法对煅烧装置、煅烧环境和产品捕集器等工艺设备要求较高,导致企业生产成本增加,同时煅烧法对去除微硅粉中的金属氧化物杂质效率低。建议采用煅烧法结合其他提纯技术对微硅粉提纯。

2、酸法提纯

    酸法提纯是指利用二氧化硅不溶于酸的特点,采用酸浸或酸洗等方法,溶解微硅粉中金属氧化物杂质达到提纯的目的。通过正交实验对盐酸提纯微硅粉的条件做了研究,实验表明,在固液比(g/mL)为3:200,加入质量分数为20%的盐酸,300r/min的转速下搅拌反应3h,得到的样品二氧化硅纯度达到92.79%,粒度为96.6nm,比表面积为23.81m2/g,提纯后的样品粒径更均匀。

    再采用酸浸工艺去除微硅粉中的金属氧化物杂质,研究表明,用硝酸去除金属杂质钙的去除率高达93.82%,用硫酸去除金属杂质樣的去除率为70.38%,但硝酸与硫酸对钾和钙的去除效果较差,而盐酸对钾、钙、镁的去除效果居中,因此选用盐酸作为酸浸溶剂较为适宜。

    采用酸法提纯的工艺操作性强,在很大程度上能提高微硅粉的质量,但是由于酸的大量使用会对环境造成严重的污染,同时该方法也会提高对工艺设备的耐酸、耐腐蚀等性能的要求,这将间接提高企业的经营成本,降低经济效益。

3、湿法提纯

    湿法提纯是指将微硅粉加水制备成矿浆溶液,用盐酸调节矿浆溶液的pH,使微硅粉表面电荷发生改变,增加微硅粉的膨胀系数和吸水率,减少微硅粉的团聚现象,使杂质易于分开。

    接着采用二步法提纯去除杂质,当温度为80℃、沉降时间为4h、搅拌转速为160r/min时,杂质铁去除率达到99.1%,杂质铝去除率达到82.3%。

    首先使用盐酸对微硅粉做了表面改性,再分别利用盐酸和硫酸进行二步酸浸提纯,制备出纯度为98.3%的球形纳米二氧化硅。

    湿法提纯操作方便,设备简单,生产成本低,用酸量较少,与酸法提纯结合可进一步提高微硅粉产品的品质。

4、絮凝法提纯

    絮凝法是利用矿浆中各组分颗粒表面的润湿性不同(即固体表面与水相互作用这一界面现象的强弱程度的不同冤,加入适当的絮凝剂,使不同组分颗粒分离,从而达到二氧化硅与杂质分离的目的,其实质是一种浮选方法。

    研究了絮凝剂种类、用量、pH和沉降时间对提纯效果的影响。结果表明,在分散剂聚乙烯吡咯烷酮投加量为80g/t、溶液pH为5.3、絮凝剂油酸钠投加量为1824g/t、沉降时间为50min时,微硅粉中的二氧化硅质量分数从74%提高到91%。

  结合了微硅粉的理化性能和生产实际,介绍了絮凝法的絮凝机理和理论模型,提出了絮凝法的发展方向,为絮凝法提纯微硅粉提供了技术参考和理论依据。

    目前,对絮凝法的研究相对较少,作为一种新的提纯工艺,絮凝法对工艺设备的要求没有酸洗法高,且对酸的需求量不大。但该方法存在着提纯效果不够明显、调整剂利用率低、废副产物多等问题,有待进一步研究解决。

    随着中国经济稳定健康发展,资源匮乏、环境污染等问题也日益凸显,中国的环境保护政策已由过去的先污染、后治理向预防污染方向转型,政府加大了对工业冶炼污染的治理力度,工业冶炼尾气的净化 、微硅粉回收和提纯的标准也将会提高。通过专业除尘环保设备从尾气中捕集回收而得的微硅粉,表现出优异的高活性、高强度、高流动性和高致密度等性能,已从工业废弃物转变成为一种重要的材料,被广泛应用在混凝土、水泥、耐火材料等行业。