用膨润土制备层状结晶二硅酸钠的研究

给出的优化条件为 Ａ３Ｂ３Ｃ３Ｄ３。综合分析各组实验 中因素之间的相互影响， 故选择此两组数据做重现 性实验， 结果见表 ４。
表 ４ 重现性实验结果
； 烧碱加 量按 ＳｉＯ２∶Ｎａ２Ｏ 的 ｍｏｌ 比计算。
根据四个可变因素三个位级的排序，采用 Ｌ９（３４） 正交实验， 并确定了通过对膨润土残渣中 ＳｉＯ２ 浸取 率的中 间检测，以 ＳｉＯ２ 浸 取率（ ％） 为实验 考核的目 标因素，对本课题进行了系统实验研究。 ２ 实验结果与讨论 ２．１ 各 因 素 对 ＳｉＯ２ 收 率 影 响 的 分 析 按 正 交 Ｌ９ （ ３４） 试验方案，对 膨 润 土 残 渣 中 ＳｉＯ２ 浸 取 率 的 测 定 结果及极差分析， 见表 ３； 由表 ３ 绘制出四因素对目 标因素的直观影响趋势图， 见图 ２。
Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｏｄｉｕｍ Ｓｉｌｉｃａｔｅ ｂｙ Ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ
Ｙａｎｇ Ｊｉｕｙｉ１ Ｚｈａｎｇ Ｓｈｉｙｉｎｇ２ Ｌｉｕ Ｙａｎｃｈｕｎ１ Ｇｕｏ Ｚｉｃｈｅｎｇ１ Ｙａｎｇ Ｊｉａｎｙｉ１ （１ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ２ Ｅｄｉｔｏｒｉａｌ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＨＵＳＴ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００１８） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｒｅｐａｒｉｎｇ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｏｄｉｕｍ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｂｙ ｃｈｅａｐ ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ ｔｏ ｐｒｅｐａｒｅ ｐａｐｅｒｍａｋｉｎｇ ｂｌａｃｋ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｆｌｏｃｃｕｌａｎｔ ，ｄｅｖｏｔｉｎｇ ｃａｕｓｔｉｃ ｓｏｄａ ｐｒｏ ｒａｔａ ｔｏ ｉｍｍｅｒｓｅ ｉｔｓ ｒｅｍｎａｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ＳｉＯ２ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ａｆｔｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ， ｄｒｙｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔ－ ｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｗｉｔｈ ｒｅｑｕｅｓｔｅｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｗａｓ ａｌｓｏ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｖｅｒｃａｍｅ ｓｏｍｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ ｏｆ ｓｏｌｕｂｌｅ ｇｌａｓｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｒａｆｔ ｏｆ ｑｕａｒｔｚｉｔｅ － ｃａｕｓｔｉｃ ｓｏｄａ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ ｒｅｍｎａｎｔ ｉｍｍｅｒｓｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｓｏｄｉｕｍ ｓｉｌｉｃａｔｅ
拟定的可变因素和位级， 见表 ２。
表 ２ 可变因素和位级
可变因素
位
级
１
２
３
Ａ ＳｉＯ２∶Ｎａ２Ｏ／ｍｏｌ 比 Ｂ 浸取时间 ／ｍｉｎ Ｃ 浸取温度 ／℃ Ｄ 浸取助剂加量 ／％
２．５
２
１．５
６０
１２０
１８０
８０
９０
１００
０．５
１．０
１．５
图 ２ 各因素对膨润土残渣中 ＳｉＯ２ 浸取率的直观 影响趋势图
摘 要 介绍了用廉价膨润土制备层状结晶二硅酸钠的方法。采用由膨润土制备造纸黑液处理絮凝剂后的残渣，以烧碱按一定的摩尔比 浸取 ＳｉＯ２，再经浓缩、干燥、热处理， 便可制备出符合质量要求的产品。此法克服了水玻璃法生产成本高， 石英砂 － 烧碱法高压操作、工艺复杂的 矛盾。
关键词 膨润土 残渣 浸取 层硅酸钠
第 ２９ 卷第 １ 期 ２００６ 年 １ 月
非金属矿
Ｎｏｎ－Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｍｉｎｅｓ
Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．１ Ｊａｎ，２００６
用膨润土制备层状结晶二硅酸钠的研究
杨久义 １ 张士莹 ２ 刘艳春 １ 郭子成 １ 杨建一 １
（ １ 河北科技大学理学院； ２ 河北科技大学学报编辑部， 石家庄 ０５００１８）
ｋ３
２１６．８ ２１３．８ ２２０．３ ２２９．９
Ｒｉ
２４．１ １６．６ ４０．１ ４５．３
优化
Ａ３ Ｂ３ Ｃ３ Ｄ３
１．５ 实验方法 在大量探索性实验基础上， 进行了
正交实验。正交实验选定的固定因素为每一次实验
取膨润土 １００ｇ， 造纸黑液处理絮凝剂的制备按文献
［５］进行。其膨润土残渣中 ＳｉＯ２ 的浸取， 在控制液∶ 固为 ４∶１ 质量比的条件下， 采用正交实验法进行。
晶二硅酸钠时加入杂原子， 解决了洗涤剂在前配料 中层状结晶二硅酸钠不能使用的难题； 文献［６］叙述 了用模数为 １．９￣２．１ 的固体泡花碱在反玻璃化设备 中制备层状结晶二硅酸钠的工艺过程； 文献［７］提出 了制备 β 相、δ 相和二者 混 合 相 层 状 结 晶 二 硅 酸
温区热处理炉（ 自制） 。 １．３ 实验过程 １．３．１ 实验流程： 见图 １。
Ａ
Ｂ
ＣＤ
１
１
３
２
２
１
１
１
３
１
２
３
１
２
２
１
２
２
３
３
３
２
１
２
１
３
１
３
２
３
２
２
３
３
３
１
ＳｉＯ２ 浸取率 ／％ ６７．５ ５０．９ ７８．８ ６１．４ ８０．３ ６５．６ ６３．８ ７７．５ ７２．５
ΣＳｉＯ２ 浸取率
ｋ１
１９２．７ １９７．２｀ １８０．２ １８４．６
ｋ２
２０８．６ ２０７．１ ２１７．６ ２１０．６
钠的生产方法。但无论采用固相还是采用液体水玻
璃制备层状结晶二硅酸钠， 生产成本都较高， 限制了 产 品 的 推 广 和 应 用［８］； 若 采 用 石 英 砂 和 烧 碱 制 备 层 状结晶二硅酸钠， 则需要在加压 ０．８～１．０Ｐａ 和高温 条件下浸取 ＳｉＯ２， 操作难度大。笔者在用膨润土制备 造 纸 黑 液 处 理 用 复 合 絮 凝 剂［９］的 过 程 中， 将 其 残 渣 综 合利用， 研究开发出了层状结晶二硅酸钠的新生产
工艺。该技术已申请了国家发明专利。 １ 实验部分 １．１ 实验原料及规格
膨润土： 河北省宣化产， 蒙脱石含量 ６５．０６％。其 主要化学成分 （ ％） ： ＳｉＯ２， ５７．１２； Ａｌ２Ｏ３， １３．４６； Ｆｅ２Ｏ３， ４．８８； ＣａＯ， １．５４； ＭｇＯ， １．８６； Ｎａ２Ｏ， １．５８； Ｋ２Ｏ， １．１２。
２．２ ＮａＯＨ 的 作 用 及 用 量 选 择 膨 润 土 中 的 蒙 托 石经过高温焙烧，层状结构被破坏，铝和铁变成可和 酸反应的金属离子制备成复合絮凝剂， 应用于造纸 黑 液 处 理 ； 膨 润 土 中 的 晶 态 硅 转 变 为 活 性 ＳｉＯ２· ｍＨ２Ｏ。烧碱的作用就是在一定温度下与活性 ＳｉＯ２· ｍＨ２Ｏ 反应，生成 ＳｉＯ２∶Ｎａ２Ｏ＝２ｍｏｌ 比的 Ｎａ２Ｓｉ２Ｏ５ 化 学结构。ＮａＯＨ 用量少了，ＳｉＯ２ 利用率低； 用量多了， 虽然 ＳｉＯ２ 利用率提高了，但不符合产品的模数要求。
图 １ 实验流程示意图 １．３．２ 操作步骤： 将制备造纸黑液处理用复合絮凝 剂 后 的 膨 润 土 残 渣 ， 检 测 出 ＳｉＯ２ 含 量 后 备 用 。 在
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非金属矿
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１０００ｍｌ 烧瓶中加入定量水， 按膨润土残渣中的 ＳｉＯ２ 含量和产品中的 ＭＳｉＯ２／ＭＮａ２Ｏ 为 ２ｍｏｌ 比左右的控 制要求， 计算 ＮａＯＨ 加量， 并将其溶解于定量水中，
在均匀搅拌下， 慢慢地将残渣加入到烧瓶中， 并添加
少量（ 为膨润土中硅含量的 １％￣３％， 质量％） 浸取助
剂， 加热到适当温度， 进行恒温浸取反应， 然后过滤、
洗涤， 合并过滤和一次洗涤液， 经浓缩、甲醇析晶。在
经气流干燥、送不同温区热处理炉进行热处理转变
晶型后， 便可制备出 β 型或 δ 型的层状结晶二硅
烧碱： 工业级， ＮａＯＨ 含量 ≥ ９６．０％。 浸取助剂： 自制， 由两种无机盐— ——偏硅酸钠和 氟酸铵盐按 ５ ∶１ 质量比复配而成。 １．２ 主 要 实 验 仪 器 安 装 有 搅 拌 机 和 温 度 计 的 １０００ｍｌ 四口烧瓶； 恒温玻璃水浴装置； 数 字 贝 克 曼 温度计； １００℃～３００℃气流烘干箱； 电导率仪； 分段
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所 以 ， 根 据 活 性 ＳｉＯ２ 含 量 ， 维 持 加 烧 碱 量 按 ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ 为 ２ｍｏｌ 左右比较适当。 ２．３ 浸取时间选择 在膨润土中活性 ＳｉＯ２ 被浸取 的反应， 属于固液反应过程。虽然浸取时间对 ＳｉＯ２ 的利用率影响不太明显， 但延长浸取时间有利于溶 液 中 ＮａＯＨ 与 固 体 颗 粒 的 接 触 ， 有 利 于 提 高 浸 取 率。从图 ２ 可直观地看出， 随着浸取时间的延长， ＳｉＯ２ 的浸取率上升； 而表 ２ 又可证明， ＳｉＯ２ 的浸取 率最高时的浸取时间是 １２０ｍｉｎ； 根据表 ３ 的重现性 和批量实验结果， 选择 １２０ｍｉｎ 时 ＳｉＯ２ 的 浸 取 率 ， ＳｉＯ２ 的浸取率达到 ８０％以上。 ２．４ 浸取温度选择 因 为 该 反 应 过 程 属 于 扩 散 控 制， 所以提高温度不仅可加快反应速度， 而且随着反 应的进行， 溶液黏度越来越大， 浸取介质 Ｎａ＋ 离子由 溶液向固体颗粒表面扩散阻力逐渐增大， 温度升高， 可降低浸取液的黏度， 进而降低扩散阻力， 提高浸取 率。从图 ２ 可看出， ８０℃时的浸取率只有 ７０％左右， 到 ９０℃可达 ８０％左右， 到 １００℃时浸取率增长幅度 虽很小， 但有利于降低黏度， 便于过滤。故前期控制 在 ９５℃下操作， 后期控制在 １００℃。 ２．５ 浸 取 助 剂 的 作 用 与 加 量 选 择 膨 润 土 在 焙 烧 过程中， 如果焙烧程度不够， 结构分解不彻底， 会有 少部分 Ｓｉ 活性较差； 或者焙烧程度过大， 容易产生 颗粒烧结， 都会对膨润土的酸浸金属离子过程或烧 碱浸取 ＳｉＯ２ 过程产生严重影响。虽然加少量水玻璃 有利于硅的浸出， 但若不加其他助剂， 硅的浸出率亦 很难达到 ８０％。为了保证层硅酸钠质量和具有较高 的浸出率， 自制了如前所述的一种浸取助剂， 酸浸和 碱浸都可使用， 既不影响絮凝剂的使用， 又提高了 ＳｉＯ２ 的浸取率。从图 ２ 可看出， 随着助剂加量的增 加， ＳｉＯ２ 的浸取率明显增加； 但若加量过大， 一是造 成前期浸取液黏度增大， 反而影响浸取； 二是容易造 成 Ｓｉ 的损失， 影响利用率。所以， 宜控制加量不超过 被浸取 ＳｉＯ２ 的 １．５％。 ２．６ 热 处 理 温 度 对 产 品 性 能 的 影 响 在 产 品 的 化 学结构合成之后， 浓缩和干燥对其性能的影响不是 主要因素，关键是产品的晶型。晶型不一样，性能差别 很大， 在相关文献中均有述及。在不同晶型的产品 中， 唯属 δ 型的性能最好， 它是在不同温度下由