Page 30 - 《精细化工》2019年第11期

·2178· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 36 卷

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area of 267.33 m /g and DBP oil absorption value of 2.77 mL/g. The prepared silica is an amorphous
product composed of amorphous substances. There are basically no impurities in the product, with high
purity and good micro-morphology, which meets the requirements of Class A products in standard
HG/T3061—2009.
Key words: coal gangue; leaching residue; silica; orthogonal experiment design; response surface methodology;
functional materials

煤矸石是在煤炭采选及加工过程中产生的一种 采用联合响应曲面法，将制备工艺进行了优化，明
[1]
固体废弃物 ，是成煤过程中与煤层伴生的含碳岩 确了制备因素与产品比表面积间的定量关系，最终
[2]
石，是多种矿岩组成的混合物 ，硬度比煤高，含 得到最优制备工艺条件，并对最优工艺下的产品性
碳量较低。目前，中国煤矸石排放量每年约有 8.5 能进行了测试。
亿 t，堆存总量达到 70 亿 t，已成为中国排放量最大
[3]
的工业固体废弃物之一 。煤矸石堆不仅侵占大量 1 实验部分
[4]
土地而且严重污染环境 ，因此，煤矸石的资源化
1.1 原料、试剂与仪器
利用十分必要。
取宁夏固原王洼煤矿煤矸石，首先浸取其中 Al、
由于煤矸石在形成过程中经历地质变化等特殊
Fe、Ti [15] 元素，然后将浸渣以去离子水洗涤至中性，
物理、化学作用，从而导致其中含有大量有价矿物
烘干，即得到制备白炭黑原料；碳化气体为 CO 2 与
资源。其中，以 Si、Al、Fe 类矿物为主。近年来，
空气体积分数各为 50%的混合气体，CO 2 气体购于
国内外学者对煤矸石资源化回收利用进行了深入探
[2]
索，取得了大量成果，主要集中在发电 、复垦土 宁夏广利气体制造公司；浓硫酸（质量分数为 98%）、
[6]
[5]
地 、路基填料 和生产建材 [7-8] 以及化工产品 [9-11] Na 2 CO 3 、Na 2 SO 4 、邻苯二甲酸二丁酯（DBP），AR，
等领域。而在化工产品方面主要是对煤矸石中含有 国药集团化学试剂有限公司。
的大量有价元素进行回收，然后生产化工产品，进 气体流量计（LZM 面板式）,淄博汇凯给水设备
而提高产品附加值，增加经济效益。研究表明，煤 有限公司；紫外分光光度计（UV-5500PC 型），上海
矸石中硅类矿物质量分数在 30%~60% [12] ，因此，许 元析仪器有限公司；X 射线衍射仪（D8）、傅里叶
多学者对煤矸石中的硅进行资源化利用制备白炭黑 变换红外光谱仪（VERTEX70 型），德国 Bruker 公
等产品，以达到高附加值利用的目的。如贾宝华等 [13] 司；扫描电镜（Sigma 500），德国 Zeiss 公司；同步
先将煤矸石中的铝元素提取，然后将提铝湿渣与液 热分析仪（TGA/DSC 3+），瑞士 Mettler 公司。
碱反应生成硅酸钠，进一步得到硅酸沉淀，烘干后 1.2 方法
得到白炭黑；郑林义等 [14] 则直接将煤矸石和 Na 2 CO 3 1.2.1 煤矸石浸渣制备水玻璃
混合均匀后经烧结、水淬、过滤得到水玻璃，利用 先将煤矸石进行酸化浸取其中的 Al、Fe、Ti 等
水玻璃制备硅胶，烘干制得白炭黑。然而，鲜见利 元素，然后采用文献[18]的方法制备水玻璃，得到
用煤矸石联合正交实验设计与响应曲面法优化制备
模数为 1.1~1.5 低模数液体水玻璃。
白炭黑的报道。
1.2.2 水玻璃制备白炭黑
基于本课题组前期对煤矸石中 Al、Fe、Ti 等元 考察了水玻璃质量分数（5%、10%、15%、20%、
素浸提的良好效果 [15-18] ，浸提后得到的酸浸渣中几
25%）、反应温度（60、70、80、85、90、95 ℃）、
乎不含 Al、Fe、Ti 等矿物，仅含有大量 Si 和微量
Na 2 CO 3 质量浓度（1、2、3、4、5 g/L）、CO 2 通入
Ca 类化合物，这为煤矸石浸渣制备白炭黑产品奠定
速率（100、150、200、250、300 mL/min）对制备
了十分有利的原料基础。因此，为进一提高煤矸石
白炭黑产品的影响，先进行单因素实验，然后在此
资源化利用附加值，本文利用煤矸石浸渣制备白炭
基础上采用正交实验考察各因素对白炭黑比表面积
黑，首先通过正交实验筛选出对白炭黑比表面积影
的影响，最后采用响应曲面法进行实验设计优化白
响显著的因素，但由于正交实验方法的局限性，没
有得到白炭黑比表面积与各影响因素间的定量关 炭黑制备工艺，最终得到制备白炭黑的最优工艺。
系，不能通过调整各因素取值得到预期的效果。由 具体步骤为：取 50 mL 低模数液体水玻璃置于
于白炭黑比表面积大小是影响其应用性能的主要指 三口烧瓶中， 根据实验要求加入水或 Na 2CO 3 溶
标 [19] ，为进一步对白炭黑比表面积与影响因素的定 液，水浴加热，在搅拌速度 300 r/min 下鼓入 CO 2
量关系进行分析，从而达到较好的预期目标，本文 气体，当反应体系 pH 达到 8 时停止鼓入气体，水