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微硅粉(硅灰)如何进行高价值利用?

发布日期: 2019-11-04 08:25:31    阅读量(156)    作者:张红

微硅粉又名硅灰、硅粉,是在冶炼硅铁合金和工业硅时所产生的二氧化硅和硅气体遇空气后迅速氧化冷凝所形成的一种硅质粉体。

微硅粉颗粒细小且部分为可吸人颗粒(PM0),具有密度小、细而轻、易漂浮等特点,若未经处理而将烟气进行高空排放,这些粉尘便长期不能沉降,其扩散性很强且难捕集,严重影响了当地人们的生活环境。微硅粉颗粒被人体吸人后可直接通过呼吸进入人体肺泡,引起一系列的灰尘病变,严重影响人们的健康。

因此,近几年国家提出了一系列的整顿政策,并且鼓励各厂区对微硅粉进行回收,制订了一系列关于综合利用和市场开发方面的政策,双管齐下,尽量改善严重污染的状况,将微硅粉进行高价值的利用,具体如下:

一、纳米白炭黑的制备

微硅粉不仅仅能够应用于混凝土、水泥等粗放型行业,各位研究者已开始将其进行提纯、改性,制备出高纯度、微粒度的粉体,使其应用于一些高端产品的研发中,开拓了微硅粉的市场价值。早在2004年深圳科鼎创业公司就生产出了一种既能够作为传统行业中的填充剂又能够作为Ic芯片塑封材料重要添加剂的微硅粉,实现了国内低成本生产高纯度、微粒径的无机填充材料,大大降低了我国芯片技术用料的进口量。

1、酸浸提纯微硅粉

赵鹏同等发明了一种节能、快捷的提纯方法,将微硅粉进行干式磁选并对筛分出的磁性粉体进行酸浸脱除金属杂质,然后再与非磁性粉体混合,制备出纯度高于85%的白炭黑产品。此过程虽是一种简便的提纯方法,但得到的产品质量不高,不能满足高端产品的质量要求。

刘瑜嘲等利用微硅粉中含金属杂质越多密度越大这一原理,采用自然沉降法除杂并在浆液中掺人少量的盐酸,使其与粉体中金属氧化物反应去除杂质和对微硅粉进行改性,使收集到的粉体沉淀中二氧化硅的含量高达96.19%。此工艺简单、流程短,但产品的纯度可能无法满足高性能材料的要求。杨振伟将微硅粉通过盐酸自然沉降法处理后用1:200的稀氢氟酸淋洗5min,以便解除玻璃态二氧化硅的包裹现象,然后再进行盐酸和硫酸两步循环酸洗过程,使微硅粉中二氧化硅的纯度提高到了98.3%。

裴新意等也考虑到粉体表面的玻璃态二氧化硅只有氢氟酸能够溶解,但此过程也导致二氧化硅的损失,同样不能很好地提高二氧化硅的含量,所以他们将微硅粉中掺加氧化钙,经过高温煅烧生成硅酸钙,再经过酸浸溶解得到了纯度高达99.9%的白炭黑产品。此过程既能缩短反应流程,同时还解除了微硅粉表面玻璃态的保护作用。HEt习等认为加人的氧化钙破坏了粉体中的硅、铁及其他金属组成的三元系结构,使其中的铁及其他金属杂质易被盐酸溶解去除,提高了酸浸过程的除杂率。

2、热碱溶解微硅粉中二氧化硅

只采用酸浸过程脱除粉体中的金属杂质以达到二氧化硅提纯的目的,因部分杂质被玻璃态二氧化硅包裹,很难与酸接触并反应,所以不能满足白炭黑的纯度要求。为此可以采取从微硅粉中提取出二氧化硅再凝胶形成高纯度的白炭黑产品。

张金梁等采用了稀碱液对微硅粉中的SiO进行溶出实验,得到SiO浸出率为80%的水玻璃溶液,其主要反应:

因此,研究人员发明了一种以氢氧化钠溶解微硅粉制备的水玻璃溶液为硅源,通过二氧化碳废气对其进行碳化,制备出高纯度、粒度细的白炭黑产品的工艺。此工艺不仅使废弃物得到了充分的利用,减轻了温室气体对环境的污染,而且也为各企业带来了一定的收益,促进了环境污染整治的顺利进行。支歆等认为微硅粉中的氧化钙、氧化镁、氧化铁的存在会引起水玻璃溶液发生络合凝胶的现象,从而降低二氧化硅的回收率。考虑到这种情况,有人对微硅粉进行硫酸酸浸去除部分金属氧化物后再进行热碱溶出过程,最终制得了模数为2.3681的水玻璃溶液。

3、氢氟酸溶解微硅粉中二氧化硅

张德懿等将通过盐酸酸浸去除金属杂质后的沉淀注入氢氟酸溶液将其溶解,制得H:SiF溶胶,再将制得的溶胶溶液在60℃条件下加入掺有PEG6000的氨水溶液进行中和水解,制备出高纯度的水合二氧化硅沉淀再经干燥灼烧得出纳米二氧化硅粉体。其主要反应为:

这个工艺流程与碱溶后加酸提纯二氧化硅的流程类似,其主要优势为氢氟酸能溶解掉微硅粉表面玻璃态的二氧化硅,而碱液却做不到。但是此过程中需要加入高浓度的氢氟酸,这会严重地侵蚀反应器械,降低其寿命,不适合进行工业化生产。

二、微硅粉用作吸附剂

利用微硅粉比表面积大的特点,可以很好地发挥其吸附作用。为此,朱文杰将酸浸纯化后的微硅粉合成了孔径范围2-5nm的MCM-41介孔分子筛,并用其作为吸附剂完成对重金属离子的吸附。马文会等用酸浸后的高纯度微硅粉(95%~98%,wt)通过加入氢氧化钠溶液和结构导向剂合成的介孔二氧化硅分子筛,用在重金属吸附过程取得了很好的效果,大大地提高了微硅粉的附加值。

刘俊霞以水玻璃为硅源通过溶胶一凝胶法合成的疏水硅胶,在油气回收方面起到重要的吸附作用,与普通的吸附剂相比,其吸附性能和脱附性能均比较优异。尹霞以碳酸锂和微硅粉为原料,并按照摩尔比为1.94的比例用高温固相法煅烧制成的硅酸锂吸附材料,在大气中的二氧化碳气体处理中起到了很好的作用。

三、微硅粉复合材料的制备与应用

随着微硅粉产量的增加,人们也渐渐地扩大了微硅粉的应用范围,如罗梓轩I221在用SBS改性沥青的过程中掺加了微硅粉构成了微硅粉/SBS复合材料,用于改善沥青在高温条件下的稳定性,提高了其硬度。Fu等241先后采用电镀以及溶胶一凝胶技术成功地合成了镍/硅和铁/硅合金复合材料,防止了金属在酸中被腐蚀现象的发生,使此材料具有绝缘性。

四、微硅粉在凝胶材料中的应用

在20世纪后期,硅气凝胶材料凭借着密度低、气孔率高以及表面积高等特点,逐渐地受到了航空航天、医药、建筑以及工业等行业的青睐。初始工艺是将有机硅作为硅源通过溶胶一凝胶和超临界干燥技术制备出硅气凝胶材料。众所周知,有机硅材料价格高而且具有一定的毒性,用其为硅源成本很高且不利于人体健康。

以无机材料为硅源制备高利用价值的硅气凝胶引起了各个研究机构的关注。刘相红例发明了一种以微硅粉、硅藻土等二氧化硅含量高、价格低廉的粉体作为硅源,通过掺加氧化钙煅烧后加酸通过溶胶一凝胶方法制得了杂质少、纯度高、粒度分布窄的硅气凝胶产品。但此法需在高温条件下对无机粉体进行煅烧,耗能比较大,若将粉体加入到氢氧化钠溶液中制得水玻璃溶液作为硅源制备气凝胶将会降低生产的成本。而且岁仲宽等发明了一种以水玻璃为硅源,通过加入酸中和制得溶胶溶液,采用溶胶一凝胶法制得了白色的硅气凝胶产品。而高妮[271等以水玻璃为硅源并掺加石棉绒纤维作为硅气凝胶的增强材料,通过碳化和常压干燥制备的硅气凝胶材料具有很好的强度和隔热性能。


随着科学技术的发展,人们对材料各方面的性能要求越来越高,微硅粉凭借着其稳定的物理及化学性能,在这几年渐渐成为了非金属材料中的宠儿,其各方面的利用价值引起了人们的关注及发掘,所以微硅粉不单单运用到混凝土等粗放型行业,应对其进行深加T使其能够更好地服务于航空航天、电子、橡胶、绿色轮胎等行业,充分展现其各个方面的优良性能。

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