稻壳制备白炭黑及纳米级白炭黑的研究

摘要

白炭黑即水合二氧化硅，具有高纯度、低密度、高比表面积、分散性好等特点、光学性能和机械性能优良。广泛应用于橡胶、塑料、医药、涂料，日用化工，催化剂载体，高分子复合材料，电子封装材料，精密陶瓷材料等许多行业，特别是近年来，白炭黑在军事、通讯、电子、激光技术等领域有了越来越广泛的作用。 我国是一个产稻大国，稻壳作为稻谷加工后的主要副产品大多作为废弃物，不足10％作为初级燃料利用，这不仅是资源的极大浪费，对环境也造成很大的污染，稻壳的综合利用一直是人们研究的课题之一。由于稻壳中含有大量的碳，是制备活性炭极好的原料。并且稻壳中含有16％～20％的无定形水合二氧化硅，燃烧后主要成分为二氧化硅，其它矿物杂质含量很少，是生产精细化工产品白炭黑的理想原料。 本文首次研究了以稻壳为原料，不经过生成水玻璃的中间环节而直接制备白炭黑的新方法，通过在稀盐酸中沸煮、干燥后，在一定温度下煅烧，可制得质量优于国家标准的优质白炭黑。对新方法制备白炭黑的工艺条件进行了研究，确定了反应的最佳工艺条件：盐酸浓度为3％-5％，煮沸时间为4h，煅烧温度为550℃。此条件下制得的产品白度在93％以上，SiO<,2>含量在98％以上。BET法研究表明了产品的比表面积为235m<'2>/g；经X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)分析表明制备的白炭黑为非晶态结构。 同时，本文还首次研究了由稻壳同时制备纳米白炭黑和活性炭的最佳工艺条件，以及影响产品质量的各主要因素，并对提高产品质量的多种途径作了初步探讨。筛选出了反应的最佳工艺条件：与稻壳灰反应的NaOH的浓度为2.5mol/L，反应时间为4h，反应温度100℃，在此条件下，二氧化硅的溶出率为95％，白炭黑的白度在90％以上，所得活性炭的亚甲蓝吸附值为12ml/0.1g以上。如果对稻壳进行适当的前处理、筛选后再进行炭化，可以明显提高活性炭的质量。由滤液硅酸钠溶液制备纳米白炭黑可采用氯化铵中和，聚乙二醇-6000作表面活性剂，所得纳米白炭黑质量完全符合国家标准。制备的纳米白炭黑制品为白色絮状沉淀，经x射线衍射分析，结果表明制品为无定形非晶态物质。TEM分析可知，粒子呈球形，粒径为50nm左右。红外光谱分析发现，纳米白炭黑中的二氧化硅为无定形水合二氧化硅。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

第1章白炭黑的现状及研究进展

1.1白炭黑国内外现状

1.1.1国内外现状简介

1.1.2白炭黑市场现状分析

1.1.3国内外研究进展

1.1.4与国外的主要差距

1.2白炭黑的应用

1.2.1在橡胶中的应用

1.2.2在油墨、油漆和涂料中的应用

1.2.3在医药、农药、化妆品中的应用

1.2.4在塑料中的应用

1.2.5在牙膏中的应用

1.2.6在粘接剂和密封剂中的应用

1.2.7在造纸中的应用

1.2.8在日用品中的应用

1.2.9在其他方面的应用

1.3白炭黑的特性与表面改性

1.3.1白炭黑的结构和性质

1.3.2白炭黑的补强机理

1.3.3白炭黑的化学成分、PH值、水份含量

1.3.4白炭黑的表面改性

1.4白炭黑的制备方法

1.4.1气相法

1.4.2沉淀法

1.4.3离解法

1.5本实验制白炭黑创新之处

第2章稻壳燃烧法制备优质白炭黑方法的研究

2.1实验原理

2.2实验部分

2.2.1主要原料及设备

2.2.2实验方案的确定

2.2.3工艺流程

2.2.4实验内容

2.3结果与讨论

2.3.1稻壳预处理对产品质量的影响

2.3.2 HCl浓度对产品质量的影响

2.3.3煮沸时间对产品质量的影响

2.3.4煅烧温度对产品质量的影响

2.3.5煅烧时间对产品质量的影响

2.3.6红外光谱图分析

2.3.7 XRD分析

2.3.8热失重曲线分析

2.3.9白炭黑产品的性能

2.4产品的分析检测与表征

2.4.1白炭黑中SiO2含量的分析

2.4.2邻苯二甲酸二丁酯吸收值的测定（GB10528-89）

2.4.3白炭黑加热减量和灼烧减量的测定

2.4.4白炭黑pH值测定

2.4.5 45μm筛余物的测定

2.4.6白炭黑颜色的测定

2.4.7白炭黑铜含量的测定

2.4.8炭黑锰含量的测定

2.4.9白炭黑铁含量的测定

2.4.10白炭黑比表面积的测定

2.4.11红外表征

2.4.12 TGA表征

2.4.13 XRD表征

2.5结论

第3章纳米白炭黑的研究进展

3.1纳米白炭黑的现状

3.2纳米白炭黑制取方法的分类介绍

3.2.1气相法

3.2.2沉淀法

3.2.3溶胶-凝胶法（sol-Gel）

3.2.4微乳液反应法

3.3制取过程中的相关问题探讨

3.3.1分散问题

3.3.2干燥问题

3.4纳米白炭黑的应用前景

3.5本实验制纳米白炭黑创新之处

第4章稻壳联产纳米白炭黑和活性炭方法的研究

4.1实验原理

4.2实验部分

4.2.1主要原料及设备

4.2.2实验方案的确定

4.2.3工艺流程

4.2.3实验内容

4.3结果与讨论

4.3.1稻壳前处理对产品质量的影响

4.3.2炭化温度对产品质量及产量的影响

4.3.3 NaOH浓度及反应时间对SiO2提取率的影响

4.3.4活化对活性炭质量的影响

4.3.5纳米SiO2颗粒的形成过程

4.3.6搅拌对纳米白炭黑颗粒的影响

4.3.7后处理工艺对纳米白炭黑颗粒的影响

4.3.8红外光谱图分析

4.3.9 XRD分析

4.3.10热失重曲线分析

4.3.11 TEM分析

4.3.12纳米白炭黑的理化性能分析

4.4产品的检测与表征

4.4.1炭化稻壳中含碳量与含硅量的计算

4.4.2活性炭的亚甲蓝吸附值

4.4.3纳米白炭黑的检测

4.4.4纳米白炭黑比表面积的测定

4.4.5纳米白炭黑的红外表征

4.4.6纳米白炭黑的TGA表征

4.4.7纳米白炭黑的XRD表征

4.4.8纳米白炭黑的TEM表征

4.5结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果