王 玲， 劉艷玲，2， 劉奮照

（1.呂梁學(xué)院化學(xué)化工系，山西 呂梁 033000；2.森澤鑫富斕合資公司技術(shù)中心，山西 柳林 033300）

引 言

煤矸石是采煤和洗煤過(guò)程中產(chǎn)生的、與煤層伴生的各種含碳量低、堅(jiān)硬的黑色石塊廢料，約占煤炭產(chǎn)量的15%～20%，是我國(guó)排放量最大的工業(yè)廢渣，占全國(guó)工業(yè)固體廢棄物的40%。煤矸石在礦區(qū)堆放，既占用大量土地，又直接造成當(dāng)?shù)厮|(zhì)和空氣的嚴(yán)重污染等各種生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題，已成為我國(guó)的一大公害。

近年來(lái)，煤矸石已不再被視為一種工業(yè)廢棄物。隨著科技的發(fā)展，各種煤矸石利用途徑和技術(shù)方法應(yīng)運(yùn)而生。作為一種資源，它在化工、冶金、建材、輕工等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。煤矸石資源化已成為煤矸石綜合利用研究的焦點(diǎn)，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［1-4］。

煤矸石的化學(xué)組成除C外，一般以氧化物為主，如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O等。其中，SiO2和Al2O3占較大比例。由于煤矸石中還有大量礦物質(zhì)，因此可以通過(guò)不同方法提煉回收各種化工產(chǎn)品原料，如氧化鋁、白炭黑（學(xué)名為水合無(wú)定性二氧化硅）［5］。

利用煤矸石制備白炭黑的主要工藝流程為：煤矸石→粉粹→酸溶→過(guò)濾→尾渣（酸浸渣）→堿溶→過(guò)濾→碳分→過(guò)濾→洗滌→烘干→白炭黑。其中，烘干的目的就是在高溫下脫去白炭黑表面的附著水。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于所制得的白炭黑內(nèi)部存在聚硅氧鍵，外表面存在活性硅醇基和吸附水，使其呈親水性［6］，水分不易脫去，致使制備中烘干能耗大、效率低，而且白炭黑成品的含水率高，直接制約著白炭黑的產(chǎn)能和質(zhì)量。因此，應(yīng)采取措施使含水率達(dá)到最低限度，以降低烘干工序的能量消耗。本文作者前期已經(jīng)在此方向作了部分研究，主要是通過(guò)加入脫水劑來(lái)降低白炭黑的含水量。研究結(jié)果表明，脫水劑的使用具有較好的脫水效率，可以降低能耗，提高質(zhì)量。但加入脫水劑也有一定的弊端，這是由于，脫水劑大部分由有機(jī)溶劑構(gòu)成，很難在最后的洗滌工序中去除，從而影響白炭黑的純度；而且脫水劑本身需要一定的成本，使白炭黑的生產(chǎn)成本有所增加。本文將在不加脫水劑的情況下，考察白炭黑制備工藝條件對(duì)白炭黑脫水性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

DC1006低溫恒溫水浴鍋；GZX-9246MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱；JJ-1型增力電動(dòng)攪拌器；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵；LS603型激光粒度分析儀；電子天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

本文選取利用煤矸石制備氧化鋁后得到的酸浸渣為原料，制備白炭黑。酸浸渣的主要成分如表1所示。

表1 酸浸渣的主要成分

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

取一定量的制備過(guò)氧化鋁的煤矸石酸浸渣，放入98℃～100℃的水浴鍋中，在攪拌狀態(tài)下反應(yīng)2h，待固液分離后過(guò)濾得到濾液。向?yàn)V液中繼續(xù)加入酸浸渣進(jìn)行堿溶反應(yīng)，直至得到的水玻璃濾液模數(shù)為3左右。取400mL水玻璃濾液若干份，在不同工藝條件下碳分，每個(gè)樣品從溶液開始變白時(shí)計(jì)時(shí)，碳分10min。考察通氣速度、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、后處理工藝對(duì)白炭黑脫水時(shí)間和含水率的影響。

碳分后，將白炭黑漿液搖勻后倒入漏斗，真空抽濾4min，真空度約為0.025。過(guò)濾后，用熱水洗滌，迅速取下漏斗，吹出濾餅，稱濕重。然后，放入烘箱，在105℃～110℃下烘至恒重（烘干時(shí)間為2h），稱干重。最后，計(jì)算含水率。

2 結(jié)果與討論

按1.3實(shí)驗(yàn)方法對(duì)白炭黑進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn)，并分別測(cè)定其含水率及脫水效率，測(cè)定結(jié)果見表2、表3和表4。

1）混合氣體通氣速度為1.5L/min時(shí)，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)白炭黑含水率的影響。

表2 不同CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下白炭黑的脫水時(shí)間及含水率

由表2可知，在氣體總流量一定的情況下，隨著CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，白炭黑的粒度逐漸增大，脫水時(shí)間逐漸減小，但含水率先減小后增大。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合測(cè)得的數(shù)據(jù)可知，隨著粒度的增加，白炭黑由凝乳狀的凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)樾鯛畛恋?，脫水時(shí)間大大減小，脫水性能有所改善。

2）CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66.7%時(shí)，混合氣體通氣速度的變化對(duì)含水率的影響。

由表3可知，在CO2比例一定的情況下，增加氣體的總通氣速度，白炭黑粒度逐漸增大。此時(shí)，脫水時(shí)間都很短，均在3min左右，含水率也是先減小后增大。說(shuō)明通氣速度對(duì)白炭黑的脫水時(shí)間影響不大，粒度達(dá)到一定大小后，白炭黑的狀態(tài)均為顆粒較大的沉淀狀，易于過(guò)濾，故脫水時(shí)間都很短。

表3 不同通氣速度下白炭黑的脫水時(shí)間及含水率

3）不同后處理工藝對(duì)含水率的影響。

陳化：將制備好的白炭黑漿液放置15h。

攪拌：利用增力電動(dòng)攪拌器將陳化后的白炭黑漿液攪拌10min。

表4 不同后處理工藝對(duì)白炭黑脫水時(shí)間的影響

由表4可知，陳化可以大大地增加脫水時(shí)間，這是因?yàn)殛惢淖兞税滋亢诘臓顟B(tài)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，陳化后白炭黑由疏松的絮狀變?yōu)槟闋?，很難過(guò)濾，過(guò)濾時(shí)間約60min。由測(cè)量結(jié)果看出，陳化后白炭黑粒度減小，從而影響了過(guò)濾性能。但是，如果在陳化后攪拌數(shù)分鐘，發(fā)現(xiàn)白炭黑又變?yōu)樾鯛畛恋?，脫水時(shí)間大大減小，約為10min。

綜上所述，粒度的大小對(duì)白炭黑過(guò)濾的時(shí)間有很大的影響，增加粒度雖然不能有效地降低含水率，但是可以大大縮短白炭黑的過(guò)濾時(shí)間，從而降低過(guò)濾工序的能耗。而陳化會(huì)增加過(guò)濾時(shí)間，因?yàn)殛惢^(guò)程使得白炭黑變?yōu)榱６容^低的凝膠，脫水性能下降，不利于過(guò)濾。但陳化后適當(dāng)攪拌可以使粒度較小的凝乳狀白炭黑轉(zhuǎn)變?yōu)樾鯛?，有效縮短過(guò)濾時(shí)間。因此，我們可以通過(guò)控制工藝條件，生成粒度較大、形態(tài)為絮狀的白炭黑，避免生成凝乳狀的白炭黑沉淀，以免過(guò)濾時(shí)間較長(zhǎng)。在洗滌中也應(yīng)適當(dāng)攪拌，使其利于過(guò)濾。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們還發(fā)現(xiàn)：

1）洗水溫度對(duì)白炭黑過(guò)濾時(shí)間和脫水效率影響都不大。

2）濃度較低的白炭黑漿液過(guò)濾時(shí)間短，但過(guò)濾后含水率較高。

3）洗滌過(guò)程中白炭黑轉(zhuǎn)變?yōu)槟闋?，難以過(guò)濾，可適當(dāng)加以攪拌。

3 結(jié)論

在制備白炭黑過(guò)程中，可以通過(guò)控制條件參數(shù)生成粒度較大、形態(tài)為疏松的絮狀白炭黑，避免生成凝乳狀的白炭黑，以免脫水時(shí)間較長(zhǎng)。在洗滌中也應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢?，使脫水時(shí)間大大縮短。這樣，既可以節(jié)約成本，也可以避免因脫水劑的使用造成的產(chǎn)品純度降低。

［1］ 曹建軍，劉永娟，郭廣禮.煤矸石的綜合利用現(xiàn)狀［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2004，1（1）：20-22.

［2］ 李劍，劉賢群.我國(guó)煤矸石制磚的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.煤炭加工與綜合利用，2001（6）：24-25.

［3］ 李琦，孫根年，韓亞芬，等.我國(guó)煤矸石資源化再生利用途徑的分析［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2007，1（30）：78-82.

［4］ 梁愛琴，匡少平，丁華.煤矸石的綜合利用探討［J］.中國(guó)資源綜合利用，2004（2）：11-14.

［5］ 劉超.煤矸石的化工利用［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，1998，19（2）：44-45.

［6］ 薛彥輝，薛大兵，崔濤.利用煤矸石生產(chǎn)白炭黑和氫氧化鋁的研究［J］.能源環(huán)境保護(hù)，2008，22（5）：27-29.