[发明专利]一种从单晶硅环保废砂浆中制备白炭黑的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种从单晶硅环保废砂浆中制取白炭黑的方法。主要是利用晶硅切割废砂浆中的硅、二氧化硅制取白炭黑联产氢气，同时回收碳化硅，在削减污染物的同时实现废砂浆资源的高附加值综合利用。

背景技术

白炭黑的化学名称为水合无定形二氧化硅或胶体二氧化硅(SiO₂·nH₂O)，是一种白色、无毒、无定形微细粉状物。其SiO₂含量较大(>90%)，原始粒径一般为10～40nm，因表面含有较多羟基，易吸水而成为聚集的细粒。白炭黑的相对密度为2.319～2.653t/m，熔点为1750℃。不溶于水和酸，溶于强碱和氢氟酸。具有多孔性、内表面积大、高分散性、质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧、电绝缘性好等优异性能。主要用作橡胶、塑料、合成树脂以及油漆等产品的填充剂，也可用作润滑剂和绝缘材料。目前全世界70%的白炭黑用于橡胶工业，是优良的橡胶补强剂，能改善胶接性和抗撕裂性，其性能优于普通炭黑。在造纸工业中，它能提高纸张白度、强度和不透明性。在农药工业中可作为防结块剂、分散剂。高级白炭黑可用作牙膏磨擦剂和药品赋形分散剂。作为遮光消光剂，白炭黑可以部分替代昂贵的钛白粉用在涂料、油漆、化妆品等行业中，使产品价格大幅降低。

白炭黑的生产方法可分为物理方法和化学方法两大类。其中，物理法由于生产的产品性能不佳，故一般不采用。而化学法在传统上可分为干法沉淀法和湿法沉淀法。干法中又常分为气相法和电弧法。目前，国内外一般都采用气相法制备高性能的纳米白炭黑。湿法一般按其形成可分为沉淀法和凝胶法。凝胶法一般有干燥法和气凝胶法。沉淀法通常以水玻璃为原料，主要有硫酸法、盐酸法、碳酸法、CO₂法和水热法等。目前新方法制备白炭黑主要以非金属矿及其延伸物为硅源，采用沉淀法制备白炭黑。其技术关键是将结晶的二氧化硅和硅酸盐转变成非晶态二氧化硅。原料主要有硅灰石、蛋白石、埃洛石、橄榄石、蛇蚊石、高岭土、硬质高岭土、煤矸石、粉煤灰等。其中，硫酸法和盐酸法较为常用。沉淀法由于工艺简单，生产条件稳定，成本较低，产量大，是目前工业生产中普遍采用的方法。

21世纪以来，随着石油煤炭等不可再生能源资源的不断开采和消耗，日益严峻的能源短缺问题摆在人们面前；而太阳能作为绿色环保无污染的清洁能源，可以减轻燃烧石化燃料而造成的环境污染。近年来，由于技术的持续改进和突破，发展太阳能光伏产业已成为实现全球碳减排与替代化石能源的主要途径和手段之一，展露出较大的发展潜力，而硅单质作为重要的光电材料半导体材料，几乎占了成本的50%。在实际加工过程中，会有20%～35%的晶体硅和碳化硅磨料被切磨为粉末进入到了切割料浆中。硅切割废砂浆主要组分：聚乙二醇；碳化硅；硅；铁屑；二氧化硅，其中二氧化硅是由于硅表面氧化所得。如果废弃的切割液直接进入污水处理系统不仅COD值过高难以处理，同时其中所含的大量固体颗粒会产生大量的淤泥，导致需要处理大量的废渣。因此，回收和利用废砂浆对于节约资源、降低成本、保护环境、提高经济效益具有重要的意义。

目前已有部分专利报道从废切割液制备白炭黑的方法，中国专利CN 101691216 A(200910204542.X)公开了一种从线切割废砂浆中回收碳化硅联产白炭黑的方法，利用有机和无机溶剂溶解砂浆中的切削液分子，通过混酸酸洗和螯合剂对固态砂浆除铁，再在固态料中加入高浓度的氢氧化钠水溶液，使其与砂浆中的硅进行反应生成硅酸钠，过滤得纯的碳化硅；再在硅酸钠水溶液中加入少量高模数的水玻璃，最后酸析出絮状沉淀，干燥得白炭黑。中国专利CN 102491352 A(201110416185.0)公开了一种用晶硅切割液资源化回收过程中旋流分离所得到的硅粉组分制备白炭黑的方法，其步骤包括旋流分级去除金属杂质，利用活化硅酸作为助滤剂进行压滤、溶胶转化、凝胶制备和干燥等制备白炭黑。中国专利CN 101691216 A(200910204542.X)在制备白炭黑阶段，用盐酸进行反应，由于盐酸是强酸，对设备存在一定的腐蚀性，加上不能回收利用，造成环境污染；白炭黑的粒径越小，其比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用，而中国专利CN 102491352 A(201110416185.0)生产的白炭黑粒径是微米级，应用领域较局限。