干燥及煅烧过程的试验结果与讨论

以黄磷炉渣为原料，以HNO3溶液为浸取剂，浸取分离黄磷炉渣中的硅钙，滤渣(粗制白炭黑)经水洗干燥后，外观呈灰白色，白度仅达到67.83%，达不到白炭黑产品的外观质量要求，必须进一步进行煅烧处理。

浸出及洗涤试验条件:黄磷炉渣40.00 g，浸出反应温度为100℃，反应时间为5 h，硝酸浓度为20%，液固比为10∶1，搅拌速度为400 r/min，洗涤终点pH值为5.0，洗涤水温度为60℃。

4.4.1白炭黑前驱体的热分析(TG－DTA)

采用硝酸溶液浸出黄磷炉渣，浸出渣经洗涤、干燥，所得白炭黑产品呈灰白色，难以达到白炭黑产品的外观质量要求。为此研究了滤渣中间体的热变化情况。图4－17为磷酸浸出物经洗涤、干燥后的中间体的差热－热重分析图谱。

图4－17　中间体的差热－热重分析图谱

由图4－17可以看出，在20℃～160℃之间有一强吸热峰，伴随约5.0%的失重，是中间体失去吸附水所引起的;在160℃～900℃之间，无明显的吸热和放热，但有5.25%的失重，是中间体中杂质碳的燃烧所引起的;在25℃～900℃的温度区间内，中间体总失重率为10.24%。由此可见，中间体通过煅烧，可提高产品的质量。

4.4.2干燥温度对白炭黑产品质量的影响

图4－18为干燥时间2.0 h，煅烧温度800℃，煅烧时间1.0 h时干燥温度对白炭黑产品白度的试验研究结果。

图4－18　干燥温度对白炭黑产品白度的影响

由图4－18可知，在试验条件下，干燥温度对白炭黑产品的白度基本没有影响，保持在88%左右。这主要是因为干燥温度的改变，仅改变了白炭黑产品中水分的脱出状况，而对其中影响其白度的杂质元素的结构和存在状态没有产生影响，所以产品的白度基本保持不变。

图4－19为干燥时间2.0 h，煅烧温度800℃，煅烧时间1.0 h时干燥温度对白炭黑产品比表面积的试验研究结果。

图4－19　干燥温度对白炭黑产品比表面积的影响

由图4－19可知，在试验条件下，当干燥温度为80℃时，白炭黑产品的比表面积为186.79 cm2/g;当干燥温度升高到120℃时，其比表面积提高到192.22 cm2/g;之后继续升高干燥温度，白炭黑产品比表面积反而略有下降，为190 cm2/g左右。这说明干燥温度对白炭黑产品比表面积有一定的影响，为了得到高比表面积的白炭黑产品，干燥温度宜保持在120℃左右。

图4－20为干燥温度对白炭黑产品吸油值的影响试验研究结果。

图4－20　干燥温度对白炭黑产品吸油值的影响

由图4－20可以看出，当干燥温度为80℃和120℃时，白炭黑产品的吸油值基本保持在1.98～1.99 mL/g之间;当进一步提高干燥温度时，其吸油值反而下降，即当温度为160℃时，吸油值仅达到1.92 mL/g;之后随着温度继续升高到200℃时，吸油值虽有所提高，但也仅达到1.96 mL/g。由此可见，干燥温度对白炭黑产品的吸油值有较大的影响，根据试验研究结果，为了得到高的吸油值，白炭黑产品干燥温度选择120℃较为适宜。

综上试验研究结果可知，为了得到质量优良的白炭黑产品，干燥温度应选择为120℃。

4.4.3干燥时间对白炭黑产品质量的影响

图4－21为干燥温度120℃，煅烧温度800℃，煅烧时间1.0 h时干燥时间对白炭黑产品白度的影响试验研究结果。

图4－21　干燥时间对白炭黑产品白度的影响

由图4－21可知，干燥时间对白炭黑产品的白度基本上没有影响。在试验研究条件下，产品的白度基本保持在87%～88%之间，这说明干燥过程只是脱去产品中的水分，对影响白炭黑产品白度的杂质元素的结构、存在形态和含量没有产生影响，因而对白炭黑产品的白度也就不会有影响。

图4－22为干燥时间对白炭黑产品比表面积的影响试验研究结果。

由图4－22可以看出，干燥时间对白炭黑产品的比表面积有较大的影响。当干燥时间为0.5 h时，产品的比表面积为204.26 cm2/g;当干燥时间增加到1.0 h时，产品的比表面积有所降低，降为192.28 cm2/g;之后继续增加干燥时间，产品的比表面积又开始增大，当干燥时间为1.5 h时，比表面积升至193.5 cm2/g;进一步增加干燥时间至2.5 h时，产品比表面积又达到203.39 cm2/g。

图4－22　干燥时间对白炭黑产品比表面积的影响

图4－23为干燥时间对白炭黑产品吸油值的影响试验研究结果。

由图4－23可以看出，干燥时间对白炭黑产品吸油值影响不大。当干燥时间为0.5 h时，吸油值为1.99 mL/g;当干燥时间为1.0 h时，吸油值为1.97 mL/g;继续改变干燥时间，吸油值基本维持在1.97～1.99 mL/g之间。

图4－23　干燥时间对白炭黑产品吸油值的影响

4.4.4煅烧时间对白炭黑产品性能的影响

图4－24为煅烧温度在800℃时，煅烧时间对白炭黑产品白度的影响试验研究结果。

图4－24　煅烧时间对白炭黑产品白度的影响

由图4－24可知，煅烧时间由15 min增加至60 min，白炭黑产品的白度由86.32%增加到89.69%，说明增加煅烧时间有利于提高产品的白度。但由图4－24也可以看出，增加煅烧时间，白度值增加幅度较小。根据试验研究结果，本研究选择煅烧时间30 min作为后续工艺条件。

图4－25为煅烧时间对白炭黑产品比表面积的影响试验研究结果。

由图4－25可以看出，煅烧时间对白炭黑产品比表面积有明显的影响。当煅烧时间为15 min时，产品比表面积为195.75 cm2/g;随着煅烧时间增加到30 min时，样品比表面积增加至205.05 cm2/g;当煅烧时间增加至45 min时，产品比表面积略有增加，为205.42 cm2/g;之后进一步增加煅烧时间，产品比表面积反而明显下降，降至60 min的175.32 cm2/g。这可能是因为煅烧开始时，随着煅烧时间的增加，白炭黑产品中的杂质元素碳在煅烧过程中不断转变为二氧化碳逸出，使其孔隙率不断增加，因而比表面积随着煅烧时间的增加而增大。但当煅烧进行到一定程度后，在试验条件下元素碳将停止转化，这时继续增加煅烧时间，产品反而出现烧结现象，使原有的孔隙率降低，所以当进一步增加煅烧时间时，样品的比表面积反而降低。

图4－25　煅烧时间对白炭黑产品比表面积的影响

图4－26为煅烧时间对白炭黑产品吸油值的影响试验研究结果。

图4－26　煅烧时间对白炭黑产品吸油值的影响

由图4－26可以看出，煅烧时间对白炭黑产品的吸油值也有较为明显的影响。当煅烧时间为15 min时，吸油值为1.97 mL/g;当煅烧时间为30 min时，与15 min的煅烧时间相比，吸油值略有下降，为1.93 mL/g;之后继续增加煅烧时间时，吸油值又开始增大，当煅烧时间为45 min时，吸油值回增到1.97 mL/g;当进一步增加煅烧时间至60 min时，吸油值增加到2.01 mL/g。

根据以上研究结果，综合考虑煅烧时间对白炭黑产品质量指标的影响，选择煅烧时间30 min作为最佳的煅烧时间条件。

4.4.5煅烧温度对白炭黑产品性能的影响

图4－27是煅烧时间为0.5 h时，煅烧温度对白炭黑产品白度的影响试验研究结果。

图4－27　煅烧温度对白炭黑产品白度的影响

由图4－27可知，随着煅烧温度的不断提高，白炭黑产品的白度明显提高。当煅烧温度为500℃时，白炭黑产品的白度仅有76.36%，产品呈灰白色;继续提高煅烧温度至600℃时，产品白度达到83.56%，但仍不能达到白炭黑产品外观的质量要求;当煅烧温度升至700℃时，产品白度达到87.22%，外观为白色，已符合白炭黑产品的外观质量要求;继续提高煅烧温度至800℃时，产品白度仅升高1.28%，达到88.5%。由此可见，可选择煅烧温度700℃作为最佳工艺条件。

图4－28为煅烧温度对白炭黑产品比表面积的影响试验研究结果。

图4－28　煅烧温度对白炭黑产品比表面积的影响

由图4－28可知，煅烧温度对白炭黑产品比表面积有很明显的影响。当煅烧温度为500℃时，产品比表面积为203.90 cm2/g;当煅烧温度升至600℃和700℃时，产品比表面积反而降至191.93 cm2/g和191.01 cm2/g;当继续升高温度至800℃时，产品比表面积又提高到205.05 cm2/g。

图4－29为煅烧温度对白炭黑产品吸油值的影响试验研究结果。

由图4－29可知，煅烧温度对白炭黑产品吸油值有很大的影响，随着煅烧温度的升高，产品吸油值明显降低。当煅烧温度为500℃时，产品吸油值为2.19 mL/g;当温度升高到600℃时，产品吸油值降到2.08 mL/g;当煅烧温度为700℃时，产品吸油值为2.03 mL/g;当进一步升高温度至800℃时，产品吸油值降至1.98 mL/g。由此可见，为了得到较高的产品吸油值，应选择较低的煅烧温度，但若考虑到白炭黑产品的其他性能，如白度、比表面积时，煅烧温度又不能太低。

图4－29　煅烧温度对白炭黑产品吸油值的影响

综上所述，为了得到性能较好的白炭黑产品，同时兼顾其多项指标，本研究选择煅烧温度700℃作为本项目的煅烧工艺条件。