桦甸油页岩残渣制备白炭黑及改性研究

论文摘要

近年来随着石油资源的紧缺,油页岩作为一种潜在的替代能源越来越为人们所重视。目前,油页岩资源的主要利用方式是燃烧发电以及提炼页岩油。由于油页岩含灰分量较大,利用后会产生大量的残渣。残渣的堆放需占用大量的土地,同时存在环境污染等问题。因此油页岩残渣的利用对于油页岩利用的发展具有重要的现实意义。白炭黑是微细粉末状或超细微粒子状的二氧化硅,是一种重要的硅系无机精细化工原料。本文根据油页岩残渣SiO2含量高的特点,研究了以油页岩残渣为原料制备白炭黑,优化了制备条件,同时对制得的白炭黑进行改性,制备出疏水性能良好的疏水性白炭黑。实验用油页岩残渣包括桦甸油页岩固体热载体干馏半焦、桦甸油页岩抚顺炉干馏半焦及桦甸油页岩电厂循环流化床细渣。通过碱溶反应将残渣中的SiO2转化为Na2SiO3。考察了原料粒度、煅烧温度、煅烧时间、碱的用量、碱的浓度及碱处理时间对油页岩残渣中SiO2浸出率的影响规律。结果表明,桦甸油页岩固体热载体半焦最佳煅烧温度为850℃,煅烧时间为0.5h,而其余两种原料则不需煅烧;三种原料所需最佳碱浓度都为25%;固体热载体半焦及抚顺炉半焦所需液固比为4:1,反应时间为3h;电厂细渣所需液固比为3:1,反应时间为2.5h;固体热载体半焦及抚顺炉半焦的粒度为0.1mm。在上述最佳工艺条件下,桦甸油页岩固体热载体干馏半焦、桦甸油页岩抚顺炉干馏半焦及桦甸油页岩电厂循环流化床细渣三种原料中SiO2的浸出率分别为81.3%、72.4%和61.5%。以油页岩残渣制备的硅酸钠提取液为原料,乙酸乙酯为酸化剂,通过均相化学沉淀法制备白炭黑,研究了硅酸钠浓度、乙酸乙酯用量、反应温度、反应时间等因素对白炭黑颗粒大小及溶液中SiO2利用率的影响。结果表明,在溶液中SiO2浓度为0.052g/ml,乙酸乙酯与溶液中所含SiO2的摩尔比为0.9,反应温度为40℃时,制得的白炭黑粉体呈球型,平均粒径150nm左右,比表面积为162m2/g。采用化学分析、SEM、XRD等表征手段对产品进行表征,其各项性能指标均满足国家相关指标要求,说明以页岩残渣为原料制备白炭黑是可行的。本文利用表面活性剂和硅烷偶联剂对制得的白炭黑样品进行改性,通过测定白炭黑的表面羟基数来确定改性效果。结果表明,阳离子表面活性剂的改性效果最好,其改性率可达82～84%。非离子表面活性剂次之,改性率在80%左右。硅烷偶联剂改性效果最差。通过红外、热重、核磁等表征手段证明白炭黑已被改性。改性后的白炭黑疏水率可达90%以上,可制得疏水性能良好的白炭黑。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 油页岩残渣的来源及综合利用
• 1.1.1 油页岩简介
• 1.1.2 油页岩资源综合利用和发展前景
• 1.1.3 油页岩残渣的综合利用
• 1.2 白炭黑的基本性质
• 1.2.1 白炭黑的物化性质
• 1.2.2 白炭黑的表面结构
• 1.3 白炭黑的主要生产工艺
• 1.3.1 气相法
• 1.3.2 沉淀法
• 1.3.3 溶胶-凝胶法
• 1.3.4 微乳液法
• 1.3.5 离解法
• 1.3.6 生产白炭黑工艺的新进展
• 1.4 白炭黑的改性
• 1.4.1 白炭黑的改性工艺
• 1.4.2 常用的改性剂
• 1.4.3 改性机理
• 1.5 白炭黑国内外生产及应用状况
• 1.5.1 国外生产概况
• 1.5.2 国内生产概况
• 1.5.3 与国外的主要差距
• 1.5.4 白炭黑的应用
• 1.6 课题研究的目的和意义
• 1.7 课题的主要内容
• 2 油页岩残渣中二氧化硅的提取
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验原理
• 2.1.3 实验内容
• 2浸出率的分析方法'>2.1.4 SiO₂浸出率的分析方法
• 2.2 实验结果与讨论
• 2.2.1 原料分析
• 2浸出率的影响'>2.2.2 煅烧工艺对SiO₂浸出率的影响
• 2浸出率的影响'>2.2.3 碱溶工艺对SiO₂浸出率的影响
• 2浸出率的影响'>2.2.4 粒度对SiO₂浸出率的影响
• 2.3 小结
• 3 白炭黑的制备
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验试剂及仪器
• 3.1.2 实验原理
• 3.1.3 实验内容
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 二氧化硅浓度的影响
• 3.2.2 乙酸乙酯用量的影响
• 3.2.3 反应温度对产品的影响
• 3.2.4 反应时间对产率的影响
• 3.3 小结
• 4 产品白炭黑的检测与表征
• 4.1 实验部分
• 2含量的分析'>4.1.1 白炭黑中SiO₂含量的分析
• 4.1.2 邻苯二甲酸二丁酯吸收值的测定
• 4.1.3 白炭黑加热减量和灼烧减量的测定
• 4.1.4 白炭黑pH值测定
• 4.1.5 白炭黑颜色的测定
• 4.1.6 白炭黑铜含量的测定
• 4.1.7 白炭黑总锰含量的测定
• 4.1.8 白炭黑总铁含量的测定
• 4.1.9 白炭黑比表面积的测定
• 4.1.10 红外表征
• 4.1.11 XRD表征
• 4.1.12 TG表征
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 白炭黑产品IR分析
• 4.2.2 白炭黑产品XRD分析
• 4.2.3 白炭黑产品热重分析
• 4.2.4 白炭黑产品的性能检测
• 5 白炭黑的改性
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 试剂与仪器
• 5.1.2 实验原理
• 5.1.3 实验内容
• 5.1.4 白炭黑粒子的检测
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 改性白炭黑表面羟基数的变化
• 5.2.2 红外分析
• 5.2.3 热重分析
• 5.2.4 核磁共振分析
• 5.2.5 疏水化率的测定
• 5.2.6 扫描电子显微镜
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 核磁共振谱图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢