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干燥及煅烧过程的试验结果与讨论

时间:2023-02-12 理论教育 版权反馈
【摘要】: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。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。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。

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。

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