工业级氟硅酸钠制备白炭黑与氟化钠的新工艺研究

摘要

氟硅酸钠作为磷化工产业链的主要副产物之一，有着很强的腐蚀性和较强的毒性，任其排放会对环境造成严重影响。据统计，每生产100万吨磷肥(折P2O5)，就有将近超过6万吨的氟硅酸钠副产物，而2016年国内磷肥产量预计可达2060万吨(折P2O5)左右，届时副产物氟硅酸钠将会超过100万吨，加上其他行业产生的量，氟硅酸钠年产生量将达近两百万吨。如此数量的氟硅酸钠如不加以利用而直接废弃，不仅会造成资源的严重浪费，还会给环境带来巨大的破坏。本课题采用两种不同化学工艺，以氟硅酸钠为基本原料，将氟硅酸钠中的氟源转化成氟化钠，硅源转化成白炭黑，同时获得两种附加值更高的化工产品。在获得经济效益的同时，减少污染，保护环境，意义重大。
　　本实验制氟化钠和白炭黑采用了外加晶种分步法和表面活性剂纯碱法两种方法，讨论了两种方法的多个单因素对实验的影响，并通过正交实验分析分别对两种制备工艺进行优化，获得制备白炭黑和氟化钠的最佳工艺条件。
　　外加晶种分步法制白炭黑和氟化钠的工艺路线是以磷肥副产氟硅酸钠和氨水为原料，先制备晶种，后经在玻璃反应器中添加晶种、原料沉淀反应、搅拌陈化、过滤分离得滤液和滤渣，滤液经加氢氧化钠溶液、真空反应浓缩、结晶、过滤、干燥得氟化钠产品，滤渣经硫酸调pH、过滤洗涤、干燥得白炭黑产物。
　　外加晶种分步法制备白炭黑的最佳工艺条件：稀氨水占制晶种反应体积的4.7％，表面活性剂浓度为0.5%，外加晶种添加量占反应总体积的5%，快速反应滴加的氨水与总氨水体积比为0.2，反应温度为70℃，氟硅酸钠与总氨水的摩尔比为1:8，反应pH终点为8.5，陈化6小时。外加晶种分步法制备氟化钠的最佳工艺条件：反应浓缩温度60℃，蒸发量为80%，氢氧化钠的浓度为20mol/L，陈化温度为20℃，陈化时间为30min。表征结果显示制备得到的白炭黑一次粒子粒度分布为正态分布，中位径在20nm，DBP值为3.52ml/g，比表面积为178.19m2/g；制备得到的氟化钠晶体的平均粒径在110μm，在XRD图中有着明显氟化钠的晶形衍射峰。
　　表面活性剂纯碱法制备白炭黑和氟化钠的工艺路线是以磷行业副产氟硅酸钠和纯碱为原料，先加表面活性剂，后分步加纯碱，再经液固流态化分离装置分离得氟化钠和白炭黑后，再经后续处理工艺得到更加纯净的白炭黑和氟化钠。
　　表面活性剂纯碱法制白炭黑和氟化钠的较佳工艺条件：快速加入的碳酸钠溶液与总碳酸钠体积比为0.3，氟硅酸钠和碳酸钠的摩尔比为1:3，表面活性剂浓度为0.3%，反应温度为85℃，反应时间为3h，分离装置母液流速为24L/h。通过自行设计的液固流态化分离装置，氟化钠和白炭黑能有效的分离，二氧化硅和氟化钠的纯度分别92.18%和98.92%。表征结果显示制备得到的白炭黑粒度分布呈正态分布，中位径在208nm，DBP值为3.16ml/g，比表面积为112.24m2/g；制备得到的氟化钠晶体的平均粒径在170μm，在XRD图中有着明显氟化钠的晶形衍射峰。
　　试验证明，本课题建立的外加晶种分步法和表面活性剂纯碱法的两种工艺路线，都能使氟硅酸钠中的氟、硅元素得到有效利用，转化成经济价值更高的氟化钠和白炭黑，工艺路线可行。

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第1章 绪论

1.1 氟硅酸钠的性质

1.2 氟硅酸钠的应用

1.3 氟化钠的性质

1.4 氟化钠的制备

1.5 氟化钠的应用

1.6 白炭黑的性质

1.7 制备白炭黑的方法

1.8 白炭黑的应用

1.9 本课题的研究内容和创新之处

第2章 外加晶种分步法制白炭黑和氟化钠

2.1实验试剂和设备

2.2 实验方法

2.3 分析检测

2.4 单因素实验

2.5 白炭黑正交实验

2.6 氟化钠正交实验

2.7 白炭黑检测表征

2.8氟化钠检测表征

2.9 本章小结

第3章 表面活性剂纯碱法制白炭黑和氟化钠

3.1 实验试剂及仪器设备

3.2 实验方法

3.3 分析检测

3.4 结果与讨论

3.5 白炭黑检测表征

3.6氟化钠检测表征

3.7 本章小结

第4章 结论与展望

4.1 结论

4.2 进一步工作方向

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果