超細(xì)冶金廢棄物硅灰的物理分級(jí)研究

宋柯成

(攀鋼冶金材料有限責(zé)任公司，四川攀枝花617000)

1 引言

鐵合金生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的粉塵其量非常大，但是用途并不是很多，因此，被視為廢棄物。如果能夠探索出減小其粒徑或者從其中分離出小粒徑顆粒的方法［1，2］，便可以成為具有多種應(yīng)用前景的稀缺原料，它的價(jià)值將會(huì)得到極大的提升，有效的變廢為寶。而現(xiàn)如今，分散與分級(jí)的理論并不少［3］，并沒(méi)有研究者將這些理論應(yīng)用到硅灰的處理上。因此，從物理分散，分散劑的選擇，離心方法進(jìn)行分級(jí)操作的可行性方面探索分散與分級(jí)理論在硅灰處理上的應(yīng)用［4］，并取得一定的成果。

煙氣中大量存在的硅粉是在還原電爐內(nèi)生產(chǎn)硅鐵和工業(yè)硅時(shí)，產(chǎn)生的大量的揮發(fā)性很強(qiáng)的二氧化硅和硅氣體與空氣氧化并冷凝而生成的。硅粉主要為非晶物相顆粒，絕大部分是無(wú)定形二氧化硅，由球形顆?；蝾w粒球團(tuán)組成，此外硅粉還具有微細(xì)、密度小，在空氣中停留時(shí)間長(zhǎng)，不易沉降，比電阻大等特點(diǎn)［5，7－9］。其中含有的二氧化硅對(duì)人身健康有嚴(yán)重的危害。二氧化硅的粉塵極細(xì)，比表面積達(dá)到100m2/g以上，可以懸浮在空氣中，如果人長(zhǎng)期吸入含有二氧化硅的粉塵，就會(huì)患矽肺。

同時(shí)，其中含有的二氧化硅超細(xì)顆粒又是有多種應(yīng)用前景的稀缺原料。納米二氧化硅俗稱“超微細(xì)白炭黑”［10］，廣泛用于各行業(yè)作為添加劑、催化劑載體，石油化工，脫色劑，消光劑，橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑，塑料充填劑，油墨增稠劑，金屬軟性磨光劑，絕緣絕熱填充劑，高級(jí)日用化妝品填料及噴涂材料、醫(yī)藥、環(huán)保等各種領(lǐng)域［11］。它是極其重要的高科技超微細(xì)無(wú)機(jī)新材料之一，其粒徑很小，比表面積大，表面吸附力強(qiáng)，表面能大，化學(xué)純度高、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能，尤其是它優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性，在眾多學(xué)科及領(lǐng)域內(nèi)獨(dú)具特性，有著不可取代的作用［12－13］。如果能從鐵合金生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的粉塵中分離出納米二氧化硅，將具有很高的環(huán)保及經(jīng)濟(jì)意義。

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)儀器

超聲波清洗儀、電磁攪拌器、機(jī)械攪拌器、離心機(jī)、激光粒度分析儀 Mastersizer 2000、電子天平、掃描電鏡、燒杯、研缽和研棒、量筒、膠頭滴管。

2.2 試驗(yàn)原料

不壓密硅灰［6］，三聚磷酸鈉，六偏磷酸鈉，去離子水，硅灰的成分見(jiàn)表1。

表1 硅灰化學(xué)成分表(%)

2.3 試驗(yàn)方案

2.3.1 超聲時(shí)間對(duì)分散效果的影響

將不壓密的硅灰30g并加入500ml的水，機(jī)械攪拌10分鐘并進(jìn)行不同時(shí)間的超聲分散之后進(jìn)行粒度檢測(cè)。根據(jù)超聲時(shí)間的不同分組見(jiàn)表2物理分散的效果實(shí)驗(yàn)分組。

表2 物理分散實(shí)驗(yàn)方案

2.3.2 分散劑對(duì)分散效果的影響

采用不壓密硅灰作為原料進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，考察三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉對(duì)分散效果的影響，具體方案見(jiàn)表3。

表3 沉降法實(shí)驗(yàn)方案

2.3.3 分散劑用量對(duì)分散效果的影響

選用六偏磷酸鈉做分散劑，在500ml燒杯中加入不壓密的硅灰30.0g，然后加入500ml去離子水。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表4分散劑的用量探究實(shí)驗(yàn)方案。

表4 分散劑的用量實(shí)驗(yàn)方案

2.3.4 離心操作對(duì)粒度分級(jí)的影響

選擇六偏磷酸鈉，原料為不壓密硅灰，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表5，考察不壓密硅灰的離心操作對(duì)粒度分級(jí)操作的影響。

表5 離心試驗(yàn)方案

3 結(jié)果討論

3.1 超聲時(shí)間對(duì)分散效果的影響

圖1顯示的是在不同的超聲時(shí)間(1min～14min)下，未經(jīng)壓密硅灰的粒度分布結(jié)果，以時(shí)間順序從1min開(kāi)始，到14min結(jié)束。

圖1 不壓密硅灰1－14min超聲后粒度檢測(cè)結(jié)果

圖2 不壓密硅灰實(shí)驗(yàn)組粒度d(0.5)－超聲時(shí)間曲線

從檢測(cè)結(jié)果(如圖2)可以看出:沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓密的硅灰，一開(kāi)始粒度為10.084μm，隨著超聲時(shí)間的變長(zhǎng)，粒徑減小，當(dāng)超聲時(shí)間為3min到4min時(shí)出現(xiàn)急劇下降，在粒度分布圖上表現(xiàn)為單峰轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰，然后繼續(xù)增加超聲時(shí)間，粒徑進(jìn)一步減小，但是變化速率在第12分鐘開(kāi)始有所減緩。

3.2 不同分散劑對(duì)分散效果的影響

從圖3可以看出:①A組與D組情況相似，上下兩層明顯分開(kāi)，上層透明，下層黑色;②B組與E組情況相似，上層為淺灰色，下層為深灰色，分層界限明顯;③C組與F組情況相似，上層淺灰色，但是比B組顏色略深，下層深灰色，分層界限并不是十分明顯。

顆粒越大，透光性越差，顏色越深，從這個(gè)方面著手，則超聲粉碎比機(jī)械粉碎的分散效果好;兩層之間界面不明顯，呈過(guò)渡形態(tài)，說(shuō)明沉淀速度慢，二氧化硅團(tuán)聚狀態(tài)呈空心球，密度比分散大的二氧化硅要小，因此，沉淀速度越慢，則分散效果越好［14］。由此得出六偏磷酸鈉的效果要好于三聚磷酸鈉。

3.3 分散劑用量對(duì)分散效果的影響

圖3 沉降實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖4 分散劑不同加入量對(duì)粒度的影響

圖5 分散劑用量實(shí)驗(yàn)組粒度d(0.5)－超聲時(shí)間曲線

由圖4、圖5可以明顯看出當(dāng)分散劑占原料質(zhì)量百分比為4%左右時(shí)粒度是最小的，因此，在此后的實(shí)驗(yàn)中暫定分散劑占原料質(zhì)量百分比為4%。

3.4 離心操作對(duì)分級(jí)效果的影響

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，離心和靜置都可以達(dá)到去除大顆粒峰，因此可以得出結(jié)論，離心確實(shí)可以達(dá)到分級(jí)的目的。加水量的多少直接影響到分級(jí)的效果，加水量多了，顆粒與顆粒之間的間距變大，顆粒之間的相互影響減弱［15，16］，這樣，就導(dǎo)致靜置和離心時(shí)顆粒的移動(dòng)更為容易，因此靜置相同的時(shí)間，加水量多的沉淀的比加水量小的沉淀的速度快。

取沉淀的和離心出的固體，干燥之后使用研缽研成粉末，然后制成樣品，做掃描電鏡，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

從圖中可以看出，硅灰主要是由小顆粒構(gòu)成，但是顆粒中粒度不同，但是大顆粒全部都是由小顆粒團(tuán)聚而成的。

表6 離心實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)在從硅灰中分離超細(xì)硅微粉的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選擇沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓密的硅灰來(lái)做原料;機(jī)械攪拌，電磁攪拌和超聲分散三種分散方法中，超聲分散的分散效果最佳。

圖6 微觀形貌

(2)在所選分散劑中，綜合考慮分散效果和經(jīng)濟(jì)效益，選用六偏磷酸鈉最佳。并且，六偏磷酸鈉用量應(yīng)該為原料質(zhì)量的4%左右。

(3)經(jīng)過(guò)分散操作，最終得到的大顆粒峰值在6μm左右，小顆粒峰值在0.2μm左右，離心操作能夠很好地實(shí)現(xiàn)粒度分級(jí)，去掉大顆粒峰，而且加入的水量對(duì)離心效果影響明顯。

(4)綜合考慮分散效果、經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)率等因素，本論文實(shí)驗(yàn)確定的最佳的分離工藝為:以不經(jīng)過(guò)壓密的硅灰為原料，使用六偏磷酸鈉為分散劑，其加入量為4%，先通過(guò)機(jī)械攪拌使之均勻，再進(jìn)行10min的超聲分散，然后以800轉(zhuǎn)/min的速度離心20min，最終得到的懸浮液中200nm以下的二氧化硅顆粒占50%，400nm以下的二氧化硅顆粒占90%。

［1］蓋國(guó)勝，等．超細(xì)粉碎分級(jí)技術(shù)［M］．北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2000．

［2］李鳳生，等．超細(xì)粉體技術(shù)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2000．

［3］吳其勝，張少明，周勇敏，等．無(wú)機(jī)材料機(jī)械力化學(xué)研究進(jìn)展［J］．材料科學(xué)與工程，2001，19(1):137—142．

［4］劉大成．粉體團(tuán)聚及其解決措施［J］．中國(guó)陶瓷，2000，36(6):33—35．

［5］裴重華．表面處理劑對(duì)超細(xì)粉碎效果的影響［J］．南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，21(1):45—48．

［6］ 陳俊紅等．壓密處理對(duì)硅灰分散性的影響［DB］．中國(guó)科技論文在線，http://www．doc88．com/p －7903989194609．html

［7］ Pedro J．Sanchez-soto，Maria del Carmen Jimenz，Luis A．Perez-Maqueda．Et al，Effects of dry grinding on the structural changes of Kaolinite powder［J］．J．Am．Ceram．Soc．，2000，83(7)∶1649－1657．

［8］ M．L．Zhang，G．L．Ding，X．Y．Jing，X．Q．Hou，Preparation，modification and application of nanoscal SiO2［J］．Appl．Sci．Technol，2004，31(6):64–66．

［9］X．H．Li，R．Sun，Z．J．Zhang，H．X．Dang．Progress of polymer/inorganic nanocomposites by chemical bonds［J］．Prog．Nat．Sci．，2004(14):1．

［10］Y．C．Ke．Polymer-Inorganic Nano-Composites［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2002．

［11］Z．W．Li，Y．F．Zhu．Surface-modification of SiO2nanoparticles with olic acid［J］．Appl．Surf．Sci．2003(211):315 – 320．

［12］S．M．Wang，Z．X．Xu，J．Fu．Technology of Preparation on Nano-Materials［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2002．

［13］M．Gutierrez，A．Henglein．Quantized colloids produced by dissolution of layered semiconductors in acetonitrile［J］．Ultrasonics，1989(27):259–261．

［14］M．W．Peterson，M．T．Nenadovic，T．Rajh，R．Herak，O．I．Micic，J．P．Goral，A．J．Nozik．Preparation of colloidal semiconductor solutions of MoS2and WSe2via sonication［J］．J．Phys．Chem．1988(92):1400–1402．

［15］J．F．Moulder，W．F．Stickle．P．E．Sobol，K．D．Bomben．Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy［M］．Perkin-Elmer Corporation Physical Electronics Division，USA，1992．

［16］Y．Q．Huo，Y．T．Yan，X．X．Liu．Preparation and tribological properties of monodispersed nano-SiO2particles as additive in lubricating oil［J］．Tribology，2005，25(1):34 – 38．

［17］W．M．Liu．Application of nanoparticles in lubricants［J］．Tribology，2003，23(4):265 – 267．

［18］Z．J．Zhang，J．Zhang，Q．J．Xue．Synthesis and characterization ofa molybdenum disulfide nanocluster［J］．J．Phys．Chem．，1994(98):12973 –12977．X．Li et al．/Applied Surface Science 206(252):7856 – 7861 7861 Fig．6．Distribution of elements on the surface of friction with DNS-A/GMO:(a)Si and(b)Fe．