摘要:以電石渣為原料生產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣過(guò)程中,首先將電石渣用氯化銨溶液進(jìn)行浸取反應(yīng),制得 CaCl2-NH3·H 2O 溶液; 然后用 CO2 進(jìn)行碳化反應(yīng)以制得輕質(zhì)碳酸鈣。碳化初期添加了澳達(dá)分散劑 AD755 后,將輕質(zhì)碳酸鈣改性后,產(chǎn)品晶形圓潤(rùn),沒(méi)有棱角,呈花瓣形,團(tuán)聚不明顯, 不存在晶體缺陷,且干燥后的產(chǎn)品變得相當(dāng)疏松,粒子粒徑仍然為微米級(jí)。
1.實(shí)驗(yàn)部分
1.1實(shí)驗(yàn)原料與儀器
主要原料:電石渣來(lái)源于河南開(kāi)祥化工有限公司,呈干燥粉末狀,組成見(jiàn)表 1;分析純氯化銨為天津市凱通化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn);CO2 為工業(yè)鋼瓶氣體;AD755 分散劑為東莞澳達(dá)環(huán)保新材料有限公司生產(chǎn)。主要儀器:用電鏡(topsizer+scf108)表征樣品顆粒形貌;用激光粒度儀(歐美克公司 LS-608)表征粒子的分布情況;用酸度計(jì)(PHS-3C)跟蹤碳化過(guò)程。
1.1中試裝置與實(shí)驗(yàn)過(guò)程
中試裝置為生產(chǎn)納米碳酸鈣的碳化活化一體化專(zhuān)利技術(shù)[9],工藝流程如圖 1 所示。
1—電子計(jì)量稱(chēng);2—提取釜;3,7—過(guò)濾器;4,8—漿液槽;5—漿液泵;6—碳化釜;
7~9—干燥機(jī);10—磨粉機(jī);11—包裝機(jī)
圖 1 電石渣生產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣中試裝置工藝流程示意圖
浸取釜中電石渣的投料均為 4 kg,加水量 50 L,充分?jǐn)嚢韬螅?/span>pH 約為 12.5,第一次氯化銨的投料為 6 kg,浸取反應(yīng)時(shí)間為 60 min,然后過(guò)濾得到浸取液,浸取液 pH 約為 10.4。第二、三、四次循環(huán)時(shí),電石渣的投料均為 4 kg,第一次的濾液氯化銨循環(huán)使用,每次補(bǔ)充的氯化銨為 0.5 kg。CO2 體積分?jǐn)?shù)為 99%, 反應(yīng)溫度控制在 15~30℃,碳化反應(yīng)時(shí)間為 30~40 min,反應(yīng)終點(diǎn) pH 為 8.0。
2.結(jié)果與討論
1.3CaCl2-NH3·H 2O 體系不利于產(chǎn)品的超細(xì)化
樣品 1 激光粒度分析見(jiàn)圖 2??梢?jiàn),輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品粒子較粗、粒度分布較寬,D50 達(dá) 11.73 μm。這是由于浸取液屬于 CaCl2-NH3·H 2O 體系,不同于石灰乳體系,二者的碳化過(guò)程也完全不同。CaCl2-NH3·H 2O 體系屬于無(wú)色澄清透明溶液,其中[Ca2+]=0.58 mol/L;而石灰乳體系中石灰乳屬于微溶物質(zhì),20℃時(shí)氫氧化鈣溶解度為 0.165 g/L,游離[Ca2+]僅為 0.022 mol/L,存在一個(gè)石灰乳粒子的緩慢溶解過(guò)程。因此,看起來(lái) CaCl2-NH3·H 2O 體系的碳化反應(yīng)過(guò)程應(yīng)該更加快速,更有利于碳酸鈣粒子的超細(xì)化。但事實(shí)不然,在碳化氣濃度、鈣總濃度和碳化溫度一定的前提下,CaCl2-NH3·H 2O 體系的碳化前期反應(yīng)很慢,碳酸鈣粒子也沒(méi)有更加超細(xì)化,相反,在不添加任何分散劑的情況下,所得碳酸鈣粒子就是普遍的輕質(zhì)碳酸鈣粒子。
這是因?yàn)?CaCl2-NH3·H 2O 體系的 pH 僅為 10.4 左右,明顯小于石灰乳體系 pH 12.5 左右,即相當(dāng)于前者[OH-] 僅為后者[OH-]的 1/%。弱酸性的 CO2 必須首先與弱堿性的氨水反應(yīng)生成 HCO3-,反應(yīng)速度遠(yuǎn)小于與強(qiáng)堿性的石灰乳體系中反應(yīng)速度,不利于碳化初期形成大量晶核,不利于碳酸鈣粒子的超細(xì)化[1,10]。產(chǎn)品粒徑較粗、沉體較小的問(wèn)題可以通過(guò)改進(jìn)碳化方式和工藝條件,添加分散劑和進(jìn)行表面改性處理等方式來(lái)加以解決。
1—微分分布;2—累積分布
圖 2 樣品 1 激光粒度分析圖
由圖 3 可知,碳化初期添加了澳達(dá)分散劑AD755 后產(chǎn)品晶形圓潤(rùn),沒(méi)有棱角,呈花瓣形,團(tuán)聚不明顯, 不存在晶體缺陷,且干燥后的產(chǎn)品變得相當(dāng)疏松,粒子粒徑仍然為微米級(jí),這與圖 2 所示的激光粒度分析結(jié)果是一致的。
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圖 3 添加 AD755 的產(chǎn)品SEM 照片
1.3產(chǎn)品純度優(yōu)于常規(guī)輕鈣產(chǎn)品
中試產(chǎn)品分別在連州市凱恩斯納米材料有限公司和湖南泰華科技檢測(cè)有限公司進(jìn)行了碳酸鈣部分常規(guī)項(xiàng)目檢測(cè)和重金屬元素含量檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 2。
由表 2 可知,所得輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá) 99.46%,明顯高于 98%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1];鹽酸不溶物無(wú)法檢出,有害重金屬含量極微或無(wú)法測(cè)出,遠(yuǎn)低于食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]。雖然輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品源于電石渣,但其氯化銨浸取液卻是無(wú)色澄清透明溶液,溶液中除了 Ca2+、Cl-、NH4+、游離 NH3 之外,其他成分幾乎沒(méi)有,因?yàn)楦呻娛谐藲溲趸}之外,其他的氧化物雜質(zhì)幾乎不溶于這種弱堿性溶液,因此其化學(xué)成分比石灰乳溶液要簡(jiǎn)單得多、純凈得多,所得輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品純度高。
3.以電石渣為原料生產(chǎn)食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣的綠色新工藝
中試所用電石渣中氫氧化鈣含量為 85.17%,水分含量忽略不計(jì),浸取溫度為常溫,攪拌速度為 300 r/h, 浸取過(guò)程物料數(shù)據(jù)如表 3 所示。
可見(jiàn),鈣的浸取率達(dá)到 90.1%,輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)量已經(jīng)接近了電石渣本身重量,殘?jiān)始s為 23%。殘?jiān)?span style="letter-spacing:-2px">經(jīng) CO2 短時(shí)間碳化后成為了中性不溶性物質(zhì),組成見(jiàn)表 4,將是水泥生產(chǎn)良好的原料,從而實(shí)現(xiàn)殘?jiān)闩?span style="letter-spacing:-1px">放目標(biāo)。在此,提出了以電石渣和工業(yè)上富余的 CO2 為原料,生產(chǎn)食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣為主,生產(chǎn)水泥原料為輔聯(lián)合生產(chǎn)的綠色新工藝(如圖 4 所示)。
(圖 4 以電石渣為原料生產(chǎn)食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣的綠色新工藝)
由圖 4 可知,該工藝不僅解決了電石渣和富余 CO2 的環(huán)境問(wèn)題,同時(shí)制得高附加值的食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣,生產(chǎn)工藝并不復(fù)雜,卻能實(shí)現(xiàn)三大化工產(chǎn)品的聯(lián)合生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”,變“廢”為資源的循環(huán)經(jīng)濟(jì)目標(biāo),具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。尤其是食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣市場(chǎng)售價(jià)在 2 000 元/t 左右,具有相當(dāng)良好的經(jīng)濟(jì)效益。以年消納 100 萬(wàn) t 干燥的電石渣為例,可將近生產(chǎn) 100 萬(wàn) t 食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣,得到 23 萬(wàn) t 水泥原料,同時(shí)至少可吸收 CO2 44 萬(wàn)t,氯化銨和水都可以循環(huán)利用,僅計(jì)算食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣的產(chǎn)值就可達(dá)近 20 億元/a,原料成本幾乎為零,主要成本就是水、電、設(shè)備折舊和人工工資等,經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。
4.結(jié)語(yǔ)
電石渣浸取液的 CaCl2-NH3·H 2O 體系完全不同于氫氧化鈣漿液體系,由于其堿性很弱,與 CO2 的碳化反應(yīng)初期不可能形成大量晶核,不利于粒子的超細(xì)化,不利于生產(chǎn)納米級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣。但所得輕質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品純度很高,有利于生產(chǎn)食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣。本文中提出了以石灰石資源為龍頭,以電石渣和工業(yè)上富余的 CO2 為原料,將乙炔、食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣和水泥三大化工產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)聯(lián)合生產(chǎn)的綠色新工藝,實(shí)現(xiàn)了“以廢治廢”,變“廢”為資源的循環(huán)經(jīng)濟(jì)目標(biāo),具有良好的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
備注:本文轉(zhuǎn)載自:中國(guó)知網(wǎng),現(xiàn)代化工報(bào)《以電石渣為原料生產(chǎn)食品級(jí)輕質(zhì)碳酸鈣的綠色新工藝》
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標(biāo)簽:碳酸鈣分散劑,粉體分散劑,澳達(dá)分散劑