張夢娟,孔 丹,陳秋宇,徐 錚,岳丘嶺,張兆群
(遼東學院 化學工程學院,遼寧 丹東 118003)
我國作為世界上主要的產(chǎn)稻國家,稻殼數(shù)量龐大(每年超過4000萬噸,目前尚未找到合適的開發(fā)利用途徑,在許多地方成為農(nóng)業(yè)廢棄物,或用焚燒處理,利用其熱能,焚燒后的稻殼灰加重了環(huán)境新污染,對環(huán)境產(chǎn)生巨大壓力[1]。因此,為稻殼尋找合適的出路已成為日益迫切的課題。自然界中的SiO2大多數(shù)呈結(jié)晶狀態(tài),無定形SiO2很少,水稻通過生物礦化方式富集在稻殼中[2],等于為人類提取了大量的非晶態(tài)無定形 SiO2,稻殼含有20% 無定形SiO2,這是一種很有價值的礦物[3-4]。合理地研發(fā)與應用不僅降低污染、凈化環(huán)境同時創(chuàng)造較為可觀的經(jīng)濟效益,符合國家綠色經(jīng)濟、綠色產(chǎn)業(yè)的總體思想。近些年我國對稻殼的應用性研究也逐見成效,且大多以其燃燒后的稻殼灰,經(jīng)沉淀法制備白炭黑[5-6],但系統(tǒng)的研究工作過程中各影響因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響,特別是對白炭黑中間產(chǎn)物水玻璃的工藝參數(shù)的細化的研究報道甚少,在一定程度上制約了工業(yè)化生產(chǎn)的路徑。本文以稻殼干法碳化后的稻殼灰為研究對象,從灰化溫度、灰化時間、堿液濃度以及反應時間入手,利用正交試驗設計簡約有效地優(yōu)化了水玻璃的制備工藝參數(shù),這對指導下一階段白炭黑的生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實意義。
PHS-25pH計(上海精密科學儀器有限公司),托盤天平(上海精科有限公司),瓷坩堝(上海精科有限公司),2X-4A雙級旋片式真空泵(上海南光真空泵廠),氫氧化鈉標準溶液、鹽酸標準溶液、氟化鈉、過氧化氫等(均為分析純 ,天津市永大化學試劑有限司)。
1.3.1 實驗步驟
將稻殼經(jīng)過初步過濾后加熱到600℃,煅燒生成稻殼灰。將稻殼灰用研缽進行研磨,20min后用100目的濾篩進行過濾。過濾之后進行加熱攪拌,溫度為60℃,用水洗滌。攪拌時間為30 min。重復洗滌。將反復洗滌之后的稻殼灰在60℃的條件下用鹽酸(9%)調(diào)節(jié)pH值至1.0。在pH值1.0中下浸泡2h,使稻殼灰溶液pH變得均勻。浸泡均勻后用蒸餾水對稻殼灰進行洗滌,并不停地進行pH檢測,當pH值變?yōu)?.0(中性)時停止洗滌。將洗滌后的稻殼灰溶液進行抽濾,將抽濾后的稻殼灰固體放入遠紅外電熱干燥箱中進行干燥,時間大概為10h。將烘干完畢的稻殼灰和氫氧化鈉進行混合,按條件進行反應。反應結(jié)束后, 自然冷卻, 經(jīng)抽濾瓶抽濾, 將濾液轉(zhuǎn)移至潔凈的塑料瓶中即得水玻璃產(chǎn)品。
1.4.1 氧化鈉含量的測定
稱量10g的樣品,精確到0.001g,在250mL容量瓶中,加入蒸餾水,使其溶解并稀釋至刻度線,搖勻。在一個300mL錐形瓶中,用吸管移入50mL樣品,加入約9滴甲基紅色指示劑,用鹽酸標準溶液滴定,當變成紅色時滴定結(jié)束點。
1.4.2 二氧化硅含量的測定
在上述操作后的溶液中倒入4g左右的氟化鈉粉末,搖晃均勻讓它完全的溶解變成了黃色的溶液,用鹽酸的標準溶液保持恒定滴定,直到紅色不褪色。再多滴1~2mL,然后用氫氧化鈉標準溶液滴定,當溶液變成黃色時為滴定終點。
添加2mL乙醇溶液樣品為了促進統(tǒng)一樣品灰化,使用低溫爐的坩堝,把坩堝蓋留一小縫,逐漸增加溫度,當坩堝內(nèi)為灰色時停止加熱讓其冷卻,加8滴左右的硝酸溶液和3滴H2O2。低溫進行干燥,干燥加熱直到有灰白色物生成。
在60℃,反應時間4h,物料配比對水玻璃模數(shù)和SiO2的溶出率的不同的影響做了研究。
如圖1和圖2所示,隨著物料比增加,溶液中氫氧化鈉含量增加,與稻殼灰充分接觸。水玻璃模數(shù)隨著物料比先增加后減少,當物料比為10g/50mL時模數(shù)最高。物料比增加,二氧化硅溶出率逐漸增加,但10g/70mL后增長相當緩慢圖線接近于水平。綜合考慮,選用10g/70mL物料比為宜。
圖1 物料比對模數(shù)的影響
圖2 物料比對溶出率的影響
物料比10g/70mL的和反應時間4h的條件下,反應溫度對模數(shù)和SiO2的溶出率的影響進行了研究,如圖3和圖4所示。
圖3 溫度對模數(shù)的影響
圖4 溫度對溶出率的影響
如圖3和圖4所示,溫度對模數(shù)和SiO2溶出率影響。反應溫度升高,水玻璃模數(shù)逐漸提升,100℃以后模數(shù)變化不大。溫度的提升,SiO2溶出率也增加,100℃后溶出率下降。故選用100℃反應溫度最適宜。
在物料比10g/70mL,反應溫度100℃條件下,反應時間對模數(shù)和SiO2的溶出率的影響進行了研究,如圖5和圖6所示。
圖5 反應時間對模數(shù)的影響
圖6 反應時間對溶出率的影響
如圖5和圖6所示,隨著反應時間的增加,模數(shù)先增加后降低,6h時模數(shù)最高為2.9。隨著反應時間的增加,溶出率逐漸增加,6h時溶出率達90%,之后溶出率增幅較小。綜合考慮,選擇6h反應時間最適宜。
通過對稻殼灰生產(chǎn)水玻璃中主要參數(shù)溫度、物料比以及反應時間的考察,進一步以簡 潔的正交試驗設計,綜合考慮,本實驗得到的模數(shù)和溶出率最高的最佳工藝條件為,物料比10g/70mL,反應溫度為100℃,反應時間為6h條件下生產(chǎn)的水玻璃模數(shù)為2.9,二氧化硅溶出率為90%。
[1] 歐陽東,陳 楷.低溫焚燒稻殼灰的顯微結(jié)構(gòu)及其化學活性[J].硅酸鹽學報.2003(11):1121-1124.
[2] 李鳳舞.利用稻殼灰制取水玻璃和活性碳[J].吉林糧專學報.1993(2):21-23.
[3] 戴志成.硅化合物的生產(chǎn)與應用[M].成都:成都科技大學出版社,1994.
[4] 盧芳儀,盧愛軍.稻殼灰制高純二氧化硅的研究[J].糧食與飼料工業(yè),2001(6):8-9.
[5] 姜小萍.探討正交試驗法制備硅酸鈉的工藝[J].山西化工,2016(5):28-30,34.
[6] 楊 柳.稻殼灰中二氧化硅的利用[D]. 長春:吉林大學,2015.
(本文文獻格式:張夢娟,孔丹,陳秋宇,等.稻殼灰制取水玻璃工藝研究[J].山東化工,2018,47(02):25-26,29.)