陳　炎，石從云，錢　凡，強(qiáng)　敏，柯昌美，余高奇，宋樹波，馮澤宇，尹　鵬（.武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢43008；.武漢澤元化工材料有限公司）

從制備光纖預(yù)制棒產(chǎn)生的廢料中回收白炭黑*

陳炎1，石從云1，錢凡1，強(qiáng)敏1，柯昌美1，余高奇1，宋樹波1，馮澤宇1，尹鵬2
（1.武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430081；2.武漢澤元化工材料有限公司）

為了從制備光纖預(yù)制棒產(chǎn)生的廢料中提取得到白炭黑，采用烘干、研磨、煅燒、酸處理、水洗等手段對(duì)廢料進(jìn)行無害化處理，除去雜質(zhì)部分，使超細(xì)二氧化硅顆粒再生出來。重點(diǎn)探究了最佳的煅燒條件，通過對(duì)不同煅燒條件下產(chǎn)品的失重分析以及雜質(zhì)（Fe元素）含量、產(chǎn)品粒徑分布等分析，得出了最佳的煅燒溫度為500℃，煅燒時(shí)間大約為1 h。所得產(chǎn)品的質(zhì)量技術(shù)參數(shù)基本達(dá)到或接近國家標(biāo)準(zhǔn)。

光棒廢料；煅燒；白炭黑

制備預(yù)制棒是光纖制造的最重要的一環(huán)，占光纖生產(chǎn)利潤的70%［1-4］，但氣相沉積法生產(chǎn)光纖預(yù)制棒的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢料，估計(jì)中國每年產(chǎn)生廢料約0.7萬～1.1萬t。該廢料是預(yù)制棒制備過程中產(chǎn)生的大量廢棄的超細(xì)二氧化硅顆粒經(jīng)旋風(fēng)分離、噴水、加無機(jī)和有機(jī)高分子絮凝劑、沉降、過濾等步驟所得，含有無機(jī)物和有機(jī)絮凝劑等雜質(zhì)，但其主要成分是有價(jià)值的多孔二氧化硅小顆粒。目前處理這些廢料的方法是填埋［5］，造成了資源浪費(fèi)，提高了光纖生產(chǎn)的成本，也給環(huán)境帶來極大的危害。本研究對(duì)廢料進(jìn)行無害化處理使超細(xì)二氧化硅顆粒再生出來，變?yōu)榫哂惺袌?chǎng)價(jià)值的白炭黑。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：光纖預(yù)制棒濕廢料；濃鹽酸（優(yōu)級(jí)純）。

實(shí)驗(yàn)儀器：電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-2A型）；馬弗爐（SRJX 4-9）；離心機(jī)（LD-3）；振動(dòng)磨（ZM100）；激光粒度分析儀（Mastersizer 2000）；IRIS Advantage全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）。

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

以藤倉烽火光電材料科技有限公司生產(chǎn)光纖預(yù)制棒過程中產(chǎn)生的濕廢料為原料，將濕廢料烘干至含水量為5%左右，把塊狀干料破碎成蠶豆大小后，使用振動(dòng)磨將廢料研磨成粉體，把研磨好的粉體用馬弗爐進(jìn)行煅燒，取煅燒好的廢料20.00 g置于三口燒瓶中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的100 mL鹽酸振蕩搖勻，在90℃下反應(yīng)（酸處理）2 h。將冷卻后的樣品離心分離，用自來水洗滌3次。洗滌后的樣品在烘箱中80℃烘干即為產(chǎn)品白炭黑。

此過程中烘干、破碎和研磨的目的是把塊狀濕廢料變?yōu)榉勰顦悠?，以便于煅燒；煅燒的目的是除去有機(jī)高分子絮凝劑；酸處理的目的是除去無機(jī)高分子絮凝劑聚鐵和聚鋁等，以及除去無機(jī)高分子絮凝劑在煅燒過程中高溫分解生成的三氧化二鐵和三氧化二鋁；水洗是為了進(jìn)一步洗掉溶于水的無機(jī)離子雜質(zhì)。煅燒是該工藝路線的關(guān)鍵步驟，因?yàn)槿魷囟鹊汀r(shí)間短，則有機(jī)絮凝劑不能徹底除掉，也影響酸處理步驟中無機(jī)鹽的去除；若溫度太高、時(shí)間長(zhǎng)，不但使二氧化硅顆粒團(tuán)聚、粒徑變大，而且生成的三氧化二鐵及硫酸鐵和氯化鈉等無機(jī)鹽會(huì)包裹在二氧化硅的團(tuán)聚體里面，使這些無機(jī)物雜質(zhì)很難去除。故而筆者重點(diǎn)研究煅燒條件。

2　結(jié)果與討論

2.1從廢料中提取白炭黑工藝研究

2.1.1煅燒階段前進(jìn)行烘干和研磨預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)時(shí)先將出廠濕廢料放置于室內(nèi)，溫度大約為20℃，一周后放置在鼓風(fēng)干燥箱中于110℃下，分別烘干24、36、48 h，發(fā)現(xiàn)24 h即可脫水至含水量為5%左右。

將烘干好的塊狀干料破碎成蠶豆大小后，使用振動(dòng)磨研磨，發(fā)現(xiàn)研磨兩次即可使試樣變成很細(xì)的粉末。

2.1.2最佳煅燒溫度和煅燒時(shí)間的確定

通過對(duì)煅燒后的樣品進(jìn)行失重分析以及對(duì)煅燒并酸處理后的樣品進(jìn)行鐵元素含量測(cè)定和樣品粒徑分析，找到最佳的煅燒溫度和煅燒時(shí)間。

1）樣品煅燒后失重和外觀分析。通過前期的探索發(fā)現(xiàn)，煅燒溫度為400℃，時(shí)間為1 h或以上，對(duì)樣品進(jìn)行酸處理時(shí)發(fā)現(xiàn)樣品中有白色粘稠狀物質(zhì)，酸處理難以進(jìn)行，估計(jì)該粘稠狀物質(zhì)為有機(jī)絮凝劑，400℃不能使有機(jī)物燒干凈。而酸處理500℃以上煅燒的樣品時(shí)不會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象，因而把煅燒溫度分別設(shè)定為500、600、700、800、900、1 000℃，煅燒時(shí)間分別為1、2、4、8、12 h。將20.00 g的廢料置于馬弗爐中于不同的煅燒溫度、時(shí)間進(jìn)行煅燒，觀察煅燒現(xiàn)象并進(jìn)行失重分析。表1為不同煅燒溫度、不同煅燒時(shí)間的樣品失重。

表1　不同煅燒溫度、不同煅燒時(shí)間樣品失重

由表1可知，煅燒溫度一定，不同煅燒時(shí)間對(duì)失重基本上沒有影響，而且不同煅燒時(shí)間的樣品外觀沒有明顯差別，表明煅燒1 h時(shí)有機(jī)物很可能完全被去除。從500℃到1 000℃煅燒，樣品失重略有增加，很可能是由于顆粒表面失去羥基，而且不同溫度煅燒的產(chǎn)品外觀不同，700℃以上樣品有少量團(tuán)聚現(xiàn)象，800℃團(tuán)聚現(xiàn)象很明顯，900℃以上團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重。因而較佳的煅燒溫度為500～600℃。

2）在不同溫度下煅燒的樣品經(jīng)酸處理后雜質(zhì)Fe的含量。將煅燒溫度分別為500、600、700、800、900、1 000℃，煅燒時(shí)間為1 h的樣品進(jìn)行酸處理、水洗且烘干，分別檢測(cè)鐵元素的含量，結(jié)果見表2。

表2　不同溫度下煅燒1 h并進(jìn)行酸處理、烘干后的樣品的鐵含量

從表2數(shù)據(jù)可知，隨著煅燒溫度的提高，樣品的鐵含量升高。這可能是因?yàn)殪褵郎囟雀呤箻悠穲F(tuán)聚，導(dǎo)致鐵雜質(zhì)等包裹在二氧化硅顆粒里。其中500℃煅燒、酸處理后鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004 3%，接近GB/ T 20020—2005中 B類氣相法白炭黑的標(biāo)準(zhǔn)（≤0.003%）。故合適的煅燒溫度為500℃。

3）產(chǎn)品粒徑分析。將煅燒溫度分別為500、600、700℃，煅燒時(shí)間為1 h的樣品經(jīng)酸處理后進(jìn)行粒徑分布測(cè)定，結(jié)果見表3。

表3　原料及不同溫度下煅燒1 h的樣品的粒徑分布

由表3可知，4個(gè)樣品的D 0.1、D 0.5都比較接近，但D 0.9隨煅燒溫度的升高而增大，500℃下煅燒的白炭黑產(chǎn)品的D 0.9與原料的值最為接近。故而最佳的煅燒溫度為500℃、煅燒時(shí)間大約為1 h。

2.2產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)與氣相法白炭黑質(zhì)量參數(shù)比較

把煅燒溫度為500℃、煅燒時(shí)間為1 h，且經(jīng)酸處理、水洗、烘干的樣品的質(zhì)量參數(shù)與氣相法白炭黑（B類）國家標(biāo)準(zhǔn)作比較，結(jié)果列于表4。由表4可知，從廢料中回收得到的白炭黑質(zhì)量參數(shù)基本達(dá)到B類氣相白炭黑國家標(biāo)準(zhǔn)。

表4　最佳煅燒條件下所得樣品質(zhì)量參數(shù)與氣相法白炭黑（B類）國標(biāo)比較

3　結(jié)論

將生產(chǎn)光纖預(yù)制棒過程中產(chǎn)生的濕廢料烘干、破碎、研磨后，在500℃下煅燒1 h，然后經(jīng)酸處理、水洗、烘干后得到的白炭黑產(chǎn)品基本符合B類氣相白炭黑國家標(biāo)準(zhǔn)。

［1］熊向峰.中國光纖光纜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)探討［J］.中國新通信，2010，12（9）：5-9.

［2］烽火通信沖擊全球光棒第一產(chǎn)業(yè)陣營［J］.電信技術(shù)，2011（8）：35.

［3］杜云剛，李繼軍，柴俊霖.關(guān)于光纖預(yù)制棒國產(chǎn)化的思考［J］.科技信息，2012（2）：48-49.

［4］耿皓.中國光纖光纜產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)探討［J］.無線互聯(lián)科技，2010（2）：67-69.

［5］李志石.中天科技觸發(fā)我國光纖預(yù)制棒應(yīng)用前景裂變［J］.通信世界，2011（18）：41.

聯(lián)系方式：240585259@qq.com

Recycling of white carbon black from waste generated from preparation of optical fiber preforms

Chen Yan1，Shi Congyun1，Qian Fan1，Qiang Min1，Ke Changmei1，Yu Gaoqi1，Song Shubo1，F(xiàn)eng Zeyu1，Yin Peng2
（1.School of Chemical Engineering and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Wuhan Zeyuan Chemical Material Co.，Ltd.）

In order to recycle white carbon black from the waste generated from the preparation of optical fiber preforms，impurities in the waste were removed by drying，grinding，calcination，acid treatment，washing，and other harmless treatments to regenerate the ultrafine silicon dioxide particles.The optimum calcination conditions were explored especially.Through the analysis of weight loss，the content of the impurity element（Fe），the product particle size distribution under the different calcination conditions，a conclusion was drawn that the best calcination temperature was 500℃and the best calcination time was about 1 h.The quality parameters of the product reached or were close to the national standards.

optical fiber preform waste；calcination；white carbon black

TQ127.2

A

1006-4990（2016）04-0061-02

湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410488032）；煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（WKDM201306）；武漢澤元化工材料有限公司資助項(xiàng)目。

2015-10-10

陳炎（1993—），男，研究生在讀，研究方向是光功能材料，已發(fā)表1篇文章，獲得專利1項(xiàng)。