广州大学化学化工学院

本科学生综合性、设计性实验报告

实验课程   化学工程与工艺专业实验        

实验项目 传统法制备沉淀二氧化硅及产品性能检测与表征

专业  精细化工   班级    07化工1        

学号        姓名         

指导教师及职称        陈姚教授           

开课学期  20##  至  20##  学年  第一  学期

时 间   2010    年     12    月    23   日

传统法制备沉淀二氧化硅产品及产品性能检测与表征

（广州大学化学化工学院）

【摘要】影响沉淀法制备所得的沉淀二氧化硅产品性能的因素有很多，诸如反应温度、pH、加料速度、原料浓度与质量等。本次实验设计在不同的温度与不同的投料速度来制备沉淀二氧化硅，并通过测定产品的吸油值、微观结构以及红外光谱来鉴定其性能以及判断最佳反应条件。

【关键词】沉淀二氧化硅；沉淀法；传统法；表征分析

【前言】随着沉淀二氧化硅工业的广泛应用和深入发展，各种生产工艺也不断成熟和完善，制备沉淀二氧化硅的方法有很多，从基本原理上划分有气相法和沉淀法。本次实验采用的制备方式为液相法，液相法主要是指沉淀法，传统的沉淀法通常以水玻璃和无机酸为原料，利用中和沉淀反应的方法来制取沉淀二氧化硅粉体。沉淀法制沉淀二氧化硅的生产技术较为简单、设备装置要求相对较低，原料易得，成本低，较适合工业生产，但能耗相对较高，对环境有较高要求，产品活性不高，颗粒大小不易控制，亲和力差，补强性能低，颗粒表面亲水性集团键合严重，会削弱产品的结合力。

[Abstract] Affect the precipitation preparation income silica product performance on a number of factors, such as reaction temperature, pH, feeding speed, raw material concentration and quality, etc. This experiment design in different temperature and different feeding speed to preparation precipitation, and through determination of product sio2 of oil absorption value, microstructure and the infrared spectrum to identify its performance and judge the best reaction conditions.

 [Key Words] Precipitated silica, Precipitation, The traditional method, Characterization analysis

[Introduction]With the wide application of precipitated silica industry and development, various production process also unceasingly maturity and perfection, preparation of precipitated silica many methods, from the basic principle of classified in furious mutually method and precipitation. This experiment used for liquid methods of preparation way, the liquid phase methods mainly refers to the precipitation, the traditional precipitation normally with sodium silicate and inorganic acid as raw materials, using the neutralization reaction method to precipitate producing precipitation silica powder. Precipitation legal precipitation silica production technology is relatively simple, equipment requirements are relatively low, reactants, low cost and suitable for industrial production, but relatively high energy consumption of environment, higher demand, product activity is not high, particle size and not easy to control, affinity is poor, reinforcing performance low, particle surface hydrophilic group bonding serious, will weaken the product of zincification.

一、实验部分

1、实验原理

液相法主要是指沉淀法，传统的沉淀法通常以水玻璃和无机酸为原料，利用中和沉淀反应的方法来制取疏松、细分散的絮状白炭黑粉体。其反应式为：

在沉淀法生产过程中可根据成品要求，通过调节反应过程中物料的比例，流量及反应的温度、时间，以及干燥条件，可得到不同比表面积，粒径、纯度、形态、结构度、孔隙度的制品。生产工艺不同，其物理化学特性也各不相同，正好可满足不同用途和性能的要求。故此本次实验运用控制变量法，通过改变反应条件（反应温度以及投料速度）以制备不同性能的沉淀二氧化硅产品，并通过测定几个表征数据以鉴定其性能优劣以及判断反应的最佳反应条件。

2、实验材料与设备

药品：水玻璃（40Be′ 28%）、浓硫酸（95%）、氯化钠（分析纯）

仪器：恒温水浴锅、电子搅拌器、干燥箱、常规的玻璃仪器、电子天平、真空抽滤泵、抽滤瓶、测定DBP用微量滴定管、XJZ-6型正置式金相显微镜、红外光谱检测仪器。

3、制备实验过程

(1)将28%水玻璃加水稀释到浓度为10%，真空抽滤后得精制的水玻璃，备用；将95%的硫酸用水稀释，配制成浓度为25%的硫酸，备用。

(2)将200mL水装进500mL的烧杯中，并加入精制的水玻璃使pH在7-8范围内，加入1.0g氯化钠，并用恒温水浴锅加热搅拌至80℃。

(3)在30min内逐渐滴入100mL精制水玻璃与适量25%硫酸，并保持反应温度为80℃，pH控制在7-8之间。

(4)反应结束后继续加酸使pH<5，陈化20min。然后经过过滤、洗涤后在110℃下干燥至恒重，冷却后得产品。

(5)改变投料用时为50min，重复上述操作制得另一组产品。

(6)改变反应温度为95℃，并在此温度下分别改变投料同时为30min、40min、50min，重复(1)至(4)操作，得到另外三组产品。

二、测定部分

1、二氧化硅吸油值（DBP）的测定。

1）实验步骤。

a.称取干燥的样品1g（精确到0.001g），置于玻璃板上，开始以较快的速度滴加DBP。

b.当滴加到相当于试样吸油值的2/3时，用玻璃棒轻轻调和，使DBP与试样浸润均匀，然后不断滚压，使粒状试样全部破碎。

c.以较慢的速度继续滴加DBP并不断滚压。

d.当试样与DBP混合物出现小条状或小块状时，可将试样全部滚至玻璃棒上，同时，玻璃棒上不出现油迹时为滴定终点。

e.吸油值的单位用1g试样吸收DBP的体积（mL/g）表示。

2）精确度。一般对同一样品的测试要进行两次，两次的测试结果之差不能超过0.15ml/g，否则测试结果无效。

   每次操作应在5~7min内完成。操作时间过长，会因为二氧化硅的潮解而影响结果，取两次结果的平均值作为测试值。

2、二氧化硅微观结构的测定。

1）试样条件。试样经300目筛子过筛，测试过程中保持空气干燥，室温控制在25℃±2℃。

2）操作步骤。

开机：打开电源，调节光源的亮度，物镜调到40X，目镜调到10X，装入相机。

制玻璃片：取一块载玻璃片，用手拿一小块状样品轻轻捏碎于玻璃片上，然后用玻璃棒轻轻涂抹，切勿用力过猛导致样品结构破坏。涂抹到载玻片上附有一层极薄的样品为佳。

拍摄：将载玻片放在载物台上，调节焦距，直到相机屏幕出现透明晶体状时，就可以进行拍摄。应该尽量去屏幕出现最多的晶体来拍摄。下一样品重复以上操作。

关机：关闭电源，取出相机。

3、红外光谱的测定。

利用红外光谱仪测定红外光谱图。

三、测定结果

1、吸油值DBP结果：

  

2、红外光谱图

产品1（反应温度：80℃  投料用时：30min）：压片过程尝试十余次，均未能成功压片。从压得的片状物可知该条件下的产品粘度较大或水含量较大，产品质量较为低下。

以下分别为产品2（反应温度：80℃  投料用时：50min）、产品3（反应温度：95℃  投料用时：30min）、产品4（反应温度：95℃  投料用时：40min）以及产品5（反应温度：95℃  投料用时：50min）的红外光谱图：

3、微观结构分析

四、结果分析

本次实验制备过程中并无异常状况出现，得到表征良好的沉淀二氧化硅产品。实验过程较为难控制的是中和反应过程中对pH值的控制以及对滴加速度的调整，由于pH也是除温度、投料时间外对产品质量的一个重要影响因素，故此从实验产品的产量以及质量来看，产品均属优良。

首先通过产品的吸油值DBP来看，随着温度的升高或投料时间的增长，吸油值呈递增的趋势。结构越大，吸油值越大。吸油值大，其微粒小，比表面积大，在橡胶中补强性好，表明聚集状态的枝键结构多。也就是说，产品5的性能最为优异，产品1的性能最为低下。这与微观图观察所得结果也比较相符，产品5的粉粒较为微细，产品2颗粒较大。其中吸油值与温度的线性关系如下：

另外，通过观察产品的红外光谱图得，各产品的红外光谱图基本一致，则说明各产品组成基本相同。而产品均在3434~3444cm^-1之间出现较宽的吸收峰，改峰是对应于-OH基的反对称伸缩振动和对称伸缩振动。而在1100cm^-1左右均出现强吸收峰，该吸收峰为Si-O-Si的反对称伸缩振动吸收。

由此可以总结得：产品沉淀二氧化硅的粒径会随温度的升高以及投料用时的增长而减小，故此适当的高温以及尽量减慢投料速度对反应制得的产品质量会有所提高。

【参考文献】

[1]吴雪文 张海波 韩团辉 谢进波 等 《传统沉淀法制白炭黑的研究进展》 河南理工大学材料科学与工程学院 2006.4

[2]陈 荣 《沉淀法白炭黑的合成工艺研究》 四川大学 2004.7

[3]谭 鑫 钟 宏 《白炭黑的制备研究进展》 中南大学化学化工学院 2010.7

[4]梅鑫东 《白炭黑的生产工艺及其应用》 江西省化学工业学校 2006.9

[5]刘朋程 张旭东 何 文 等 《白炭黑制备、改性及应用研究》 山东轻工业学院 2009.12

[6]王君宝 张培萍 李书法 等 《白炭黑的应用与制备方法》 吉林大学 2006.4

[7]黄永炎 《沉淀法白炭黑的制备、特性及其性能鉴定》 化工部北京橡胶工业研究设计院 1996

[8]哈丽丹 阿不力米提 卡比努尔 《沉淀法制取白炭黑问题探讨》 新疆工学院化学工程系 2000.2

第二篇：连续法制备沉淀二氧化硅预习报告

连续法制备沉淀二氧化硅及性能检测预习方案

一 实验目的 

1．初步了解和掌握无机超微细粉体沉淀二氧化硅产品开发的研究思路和实验研究方法，学会独立进行实验方案的设计，组织与实施。 

2．了解沉淀二氧化硅的各种制备方法，掌握传统法和连续法制备沉淀二氧化硅的原理、工艺流程和影响产品性能的因素。 

3．掌握沉淀二氧化硅主要性能参数的测定方法。 4．了解“连续式反应装置”的构成及功能。 

二 实验原理 

 1白炭黑物理性质和用途 

白炭黑外观为白色高度分散的无定形粉末或絮状粉末，也有加工成颗粒状作为商品的。比重为2.319～2.653，熔点为1750℃。不溶于水及绝大多数酸，在空气中吸收水分后会成为聚集的细粒。能溶于苛性钠和氢氟酸。对其它化学药品稳定，耐高温不分解，不燃烧。具有很高的电绝缘性，多孔性。内表面积大，在生胶中有较大的分散力。经表面改性处理的憎水性白炭黑易溶于油内，用于橡胶和塑料等作为补强填充剂，都会使其产品的机械强度和抗撕指标显著提高。由于制造方法不同，白炭黑的物化性质、微观结构均会有一定差异，故其应用领域和应用效果也不同。 

白炭黑的用途很广，且不同产品具有不同的用途，现再概述如下：用作合成橡胶的良好补强剂，其补强性能仅次于炭黑，若经超细化和恰当的表面处理后，甚至优于炭黑。特别是制造白色、彩色及浅色橡胶制品时更为适用。用作稠化剂或增稠剂，合成油类、绝缘漆的调合剂，油漆的退光剂，电子元件包封材料的触变剂，荧光屏涂覆时荧光粉的沉淀剂，彩印胶板填充剂，铸造的脱模剂。加入树脂内，可提高树脂防潮和绝缘性能。填充在塑料制品内，可增加抗滑性和防油性。填充在硅树脂中，可制成耐200℃以上的塑料。在造纸工业中用作填充剂和纸的表面配料。还有用作杀虫剂及农药的载体或分散剂，防结块剂以及液体吸附剂和润滑剂等。 

2 白炭黑的制备方法 

白炭黑的生产方法，根据国内外的资料表明，主要是沉淀法和气相法两大类型。由于沉淀法所用原料便宜，易得，生产工艺和设备较为简单，产品售价低，因而目前占主导地位。这里我们所要介绍的主要是沉淀法。 

 沉淀法又称湿法，主要原材料为石英砂、纯碱、工业盐酸或硫酸或硝酸或二氧化碳。其工艺路线大体上是：先采用燃油或优质煤在高温下将石英砂与纯碱反应制得工业水玻璃，工业水玻璃用水配制成一定浓度的稀溶液，然后在一定条件下加入某种酸，使二氧化硅沉淀出来，再经清洗、过滤、干燥（烘干或喷雾）、粉碎、制得产品白炭黑。沉淀法又分酸法、溶胶法、碳化法等许多不同的具体方法。我们这里介绍的是以硅酸钠和硫酸为原料制备沉淀二氧化硅的传统法和以稻壳为原料，在硅酸钠－碳酸氢钠体系中反应制备沉淀二氧化硅的连续法。  

（1）传统法 

传统法是我们知道的酸法。 一般说来，酸法是将可溶性硅酸盐与硫酸（或其它酸）一起反应，当反应液到达某一pH值时停止加酸反应，进行陈化，然后过滤并用水多次反复清洗，脱除42SONa后，送干燥、粉碎后得到产品。

工艺流程示意图为:

该方法所得产品的性能与制备过程的条件控制有十分重要的关系。这是因为在反应的过程中，溶液中可溶性的硅酸盐首先转变成为单体硅酸（可溶性）。由反应体系的条件所决定，单体硅酸有可能生成疏松的絮状物（聚集作用），也有可能生成致密的胶粒（凝胶作用），从而造成最终产品的很大差异。为了得到所需性能的白炭黑，反应过程的有关条件必须严格控制。 

在实际制备过程中，同样是酸法，并且用同样的原材料，其具体的操作过程和条件控制有不少差别，在对原材料成份要求，稀释程度以及加酸速度、搅拌速度和温度等都有不同的指标。此外，在对滤并的处理与干燥的方法上也有不同的过程和要求。可见差别之存在。 

传统法制备白炭黑影响产品性能的重要工艺条件大致有三个：1） 水玻璃的影响。 在合成过程中发现,硅酸钠的浓度过大,易形成凝胶;而浓度过小,则易产生溶胶而得不到所需的产品。但在一定浓度范围内,改变硅酸钠的浓度,可以合成具有不同粒径的产品;水玻璃中SiO2 与Na2O物质的量比也是影响白炭黑产品的一个因素。2)表面活性剂和分散剂的影响。在SiO2合成过程中,加入表面活性剂可以抑制硅酸凝胶的形成,但未除去表面活性剂的SiO2粉末的比表面积远小于处理过的样品的比表面积。因此,若要得到纯净的高比表面积的产品,须通过灼烧方法将表面活性剂除去。3） 沉淀剂与沉淀方法的影响。 产品SiO2 ·nH2O 微粒粒径的大小既与核粒SiO2 ·nH2O的大小和结构有关,也与硅酸聚合沉积的速率和方式有关 。 （2）连续法 

      连续法是一种采用碳酸钠水溶液提取稻壳炭化物中的二氧化硅，进而制得白炭黑产品的方法。其基本原理如下： 

1)在一定条件下炭化后的稻壳炭化物放于碳酸钠水溶液中，稻壳炭化物中的二氧化硅与碳酸钠在温度T1下发生如下反应： 

二氧化硅以低模数可溶态硅酸钠形式溶解出来，并随之发生如下反应：           在温度1T条件下，经一定时间后，上述两反应各组份达到动态平衡。 

2)溶解液在保温条件下过滤，然后迅速降温至温度2T，滤液中单硅酸浓度将处于饱和状态，温度与饱和浓度(C。)及临界形核浓度(Ct)的关系如图1所从而发生水合二氧化硅沉淀相变析出过程： 

? 在此析出过程中，包含了胶粒成核(脱水)、长大、聚集及沉淀等过程，最终形成白炭黑。

矿物型二氧化硅与稻壳炭化物中的二氧化硅性质上存在着很大差别，前者以晶体形式存在，后者以水合二氧化硅形式存在。连续法采用的是碳酸钠水溶液其实是专门针对稻壳碳化物中的二氧化硅，这就是利用稻壳制取白炭黑的工艺研究 纯碱提浸法。其主要工艺流程如下:

书本上给我们介绍的连续法制备沉淀二氧化硅主要着重于工艺后半段，利用碳酸氢钠提取的工艺流程：

该反应体系的具有如下特点：

1   Na2SiO4-NaHCO3体系为碱性反应体系，在整个反应过程中，体系中的pH值能基本维持在一个稳定的区域，这样就保证了反应过程中体系环境的相对稳定，使二氧化硅粒子能在稳定的条件下进行。 

2   该反应体系成河时间短，这样使粒子能在相同的时间里成核，并且同时开始长大，对粒子粒径的均匀性有利。 

以碳酸钠溶液为提取液与稻壳灰中的二氧化硅反应提取白炭黑,二氧化硅的提取率90%以上,碳酸钠提取液理论上不消耗,可以循环使用。这是此工艺的最大特点和优势。碳酸钠溶液与稻壳灰溶煮,将溶煮的混合液过滤,滤液在冷却过程中有大量的水合二氧化硅沉淀析出。将沉淀出的水合二氧化硅经过滤、洗涤、干燥、粉碎后即可制得白炭黑产品。  

此工艺对稻壳的炭化温度有严格要求,因为炭化温度过低,有机挥发组分不能完全除去,在提取二氧化硅时残余挥发组分将溶于碱液中,使得到的二氧化硅色泽发黄,难以达到国标中对二氧化硅的白度要求;炭化温度过高,炭化稻壳中的二氧化硅无定形结构遭到破坏,影响二氧化硅的提取率。

参考文献

[1] 洪立福 金鑫. 超细二氧化硅的制备与改性       [J]. 北京化工大学学报，2004,31（5）.

[2] 王佼. 白炭黑制备方法及表面改性研究进展[J]. 北京工业职业技术学院学报，2005，4(4).

[3] 赵丽颖 郑伟. 沉淀二氧化硅的应用与发展[J]. 牙膏工业，2001,4.

[4] 宁延生. 我国沉淀二氧化硅生产技术[J]. 无机盐工业，1999,31(2).

[5] 于欣伟 ,陈姚. 白炭黑的表面改性技术[J]. 广州大学学报，2002，1(6).

[6] 陈姚, 于欣伟, 钟智欣, 胡家聪, 谭英立. 新型疏水沉淀二氧化硅的制备[J]. 无机盐工业，2005,37(2).