張夢娟,孔 丹,陳秋宇,徐 錚,岳丘嶺,張兆群

(遼東學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)時間入手，利用正交試驗設(shè)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(dǎo)下一階段白炭黑的生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實意義。

1 實驗部分

1.1 主要實驗儀器與藥品

PHS-25pH計(上海精密科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)溶液、鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液、氟化鈉、過氧化氫等(均為分析純 ，天津市永大化學(xué)試劑有限司)。

1.2 工藝路線

1.3 水玻璃的制備

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(fù)洗滌。將反復(fù)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(dāng)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(yīng)。反應(yīng)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 模數(shù)的測定

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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，當(dāng)溶液變成黃色時為滴定終點。

1.5 溶出率的測定

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(dāng)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。

2 結(jié)果與討論

2.1 物料比對模數(shù)和溶出率的影響

在60℃，反應(yīng)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(dāng)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(dāng)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

2.2 溫度對模數(shù)和溶出率的影響

物料比10g/70mL的和反應(yīng)時間4h的條件下，反應(yīng)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(yīng)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(yīng)溫度最適宜。

2.3 時間對模數(shù)和溶出率的影響

在物料比10g/70mL，反應(yīng)溫度100℃條件下，反應(yīng)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(yīng)時間對模數(shù)的影響

圖6 反應(yīng)時間對溶出率的影響

如圖5和圖6所示，隨著反應(yīng)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(yīng)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(yīng)時間最適宜。

2.4 結(jié)論

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(yīng)時間的考察，進一步以簡 潔的正交試驗設(shè)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(yīng)溫度為100℃，反應(yīng)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(xué)活性[J].硅酸鹽學(xué)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(xué)報.1993(2)：21-23.

[3] 戴志成.硅化合物的生產(chǎn)與應(yīng)用[M].成都:成都科技大學(xué)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(xué),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.)