一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法
阅读说明：本技术 一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法 (Method for purifying silicon dioxide by using micro silicon powder ) 是由 李树丰 卫鑫东 白鹏 潘登 张鑫 杨帆 白泽坤 管金凤 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法,包括以下步骤：(1)将微硅粉原粉进行研磨；(2)向研磨后的微硅粉中加入氢氟酸,保证微硅粉能够完全溶解,待到反应结束后过滤除掉不溶于氢氟酸的滤渣,得到滤液；(3)向(2)中得到的滤液中加入尿素,水浴加热,加热后进行陈化；(4)向步骤(3)得到的二氧化硅产物中加入盐酸,将其中溶于酸的金属杂质去除；(5)加入适量蒸馏水,将步骤(4)中过量的酸和附着在微硅粉表面金属杂质去除；(6)加入无水乙醇将二氧化硅中残余的蒸馏水去除；(7)将产物置于干燥箱中低温干燥,得到二氧化硅。该方法具有简单,易操作,且成本低的特点,适用于工业化生产。(The invention discloses a method for purifying silicon dioxide by using micro silicon powder, which comprises the following steps: (1) grinding the raw micro silicon powder; (2) adding hydrofluoric acid into the ground micro silicon powder to ensure that the micro silicon powder can be completely dissolved, and filtering to remove filter residue insoluble in the hydrofluoric acid after the reaction is finished to obtain filtrate; (3) adding urea into the filtrate obtained in the step (2), heating in a water bath, and aging after heating; (4) adding hydrochloric acid into the silicon dioxide product obtained in the step (3) to remove metal impurities dissolved in the acid; (5) adding a proper amount of distilled water, and removing excessive acid and metal impurities attached to the surface of the micro silicon powder in the step (4); (6) adding absolute ethyl alcohol to remove residual distilled water in the silicon dioxide; (7) and (5) placing the product in a drying oven for low-temperature drying to obtain silicon dioxide. The method has the characteristics of simplicity, easy operation and low cost, and is suitable for industrial production.)
技术领域
本发明属于涉及无机氧化物加工技术领域，具体涉及一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法。
背景技术
微硅粉是在硅铁生产过程中伴生的一种副产物，俗称“硅灰”。硅铁生产的原料为石英岩和生铁，加入焦炭作为还原剂，在高温电炉中进行反应。石英被还原形成硅单质，并形成硅蒸汽在烟道中被氧气氧化形成一氧化硅，出烟道被氧气继续氧化形成二氧化硅，在空气中冷凝结晶形成细小微粒而形成微硅粉。
我国是世界上最大的钢铁生产国，硅铁和金属硅产量位居前列，其副产物微硅粉产量巨大，平均每生产1吨工业硅或硅铁可回收300～500kg的微硅粉。微硅粉的主要成分为无定形SiO2，活性高、颗粒细小、比表面积大、具有优良的物理化学性能，但因其杂质含量较高(如C、Fe、Cu、K、Na、Ca、Mg等等)，应用价值低，导致长期堆积，如不加以合理利用，不仅会浪费资源，增加企业运营成本，还会对环境造成污染，并对人体健康造成危害。如能将其进行提纯制备高纯度的SiO2，可广泛应用于电子、化工、建筑等领域，会极大的提高其经济价值和环保价值。传统常用的微硅粉提纯方法主要有酸洗法、浮选法、煅烧法、湿法提纯，虽工艺方法简单但制备出的二氧化硅纯度和白度较差，其中酸洗法虽可有效去除微硅粉中的金属离子，但对于碳，磷等非金属杂质则无法去除，使得二氧化硅的白度较低，且酸的用量很大，对于设备的要求较高且后续产生的废酸液很难处理；湿法提纯虽效果较好但效率较低，容易造成二次污染；煅烧法可有效去除碳，但能耗高，且对于去除金属杂质效果较差。
本发明采用的方法通过溶解过滤的方法可有效去除碳，磷等非金属杂质即保证了白度，同时又结合酸洗法可进一步提高去除金属杂质的效率，且具有成本低的特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法，通过提纯以扩大微硅粉的工业应用范围，提高其经济价值和环保价值。
本发明所采用的技术方案是：一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法，包括以下步骤：
(1)研磨：将微硅粉原粉进行研磨，使其易于溶解；
(2)酸浸溶解：向研磨后的微硅粉中加入质量分数为40％的氢氟酸，保证微硅粉能够完全溶解，待到反应结束后过滤除掉不溶于氢氟酸的滤渣，如：C，P等非金属杂质，得到滤液；
(3)二氧化硅的制备：向(2)中得到的滤液中加入尿素，并进行水浴加热，使得尿素分解为氨气，进一步形成氨水与(1)所得滤液反应生成沉淀，加热结束后进行陈化，得到二氧化硅絮状沉淀；
(4)除杂：向步骤(3)得到的二氧化硅产物中加入浓度为12mol/L的盐酸，利用二氧化硅不溶于盐酸的性质将其中溶于酸的金属杂质去除；
(5)水洗：加入适量蒸馏水，将步骤(4)中过量的酸和附着在微硅粉表面金属杂质去除；
(6)除水：加入无水乙醇将二氧化硅中残余的蒸馏水去除；
(7)干燥：将产物置于干燥箱中低温干燥，得到二氧化硅。
本发明的特征还在于，
步骤(2)中，酸浸溶解过程中，每1g微硅粉的需要添加4-5ml质量分数为40％的氢氟酸。
步骤(3)中，加入尿素的质量与微硅粉的质量比为50-70：1。
步骤(3)中，水浴加热温度为80-90℃，加热时间为4-6h。
步骤(3)中，陈化温度为30-50℃，陈化时间为4-6h。
步骤(4)中，每1g微硅粉的需要5-10ml浓度为12mol/L的盐酸。
步骤(7)中，干燥温度为60-80℃，干燥时间为4-6h。
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法通过氢氟酸溶解微硅粉后过滤，首先将不溶于氢氟酸的碳、磷等非金属杂质去除，后向所得溶液中滴加氨水使二氧化硅生成沉淀(同时金属元素会生成碱性沉淀)，后利用二氧化硅不溶于盐酸的性质，加入盐酸酸洗将金属杂质碱性沉淀溶解，从而将金属杂质去除；相较于传统的酸洗法提纯微硅粉，本方案不仅对于金属杂质的去除效果有了明显提升且可有效去除碳等非金属杂质。传统的酸洗法因用酸量过大对于设备的要求过高，产生的废液难以处理容易产生二次污染；传统的煅烧法对于碳的去除效果较好，但对于金属杂质去除效果较差，本发明利用氢氟酸溶解微硅粉，对于金属和非金属杂质的去除效果有了明显提升，微硅粉的纯度和白度有了明显提升。
(2)本发明方法以微硅粉为硅源提纯二氧化硅，相较于传统的微硅粉提纯工艺，简单易行，且制得的二氧化硅白度和纯度更高，制备过程中不会对环境造成二次污染，同时对于设备的要求低，可进一步降低生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例1中所使用微硅粉的照片；
图2为本发明实施例1制备得到的二氧化硅照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法，包括以下步骤：
(1)研磨：将微硅粉原粉进行研磨，使其易于溶解；
(2)酸浸溶解：向研磨后的微硅粉中加入质量分数为40％的氢氟酸，保证微硅粉能够完全溶解，待到反应结束后过滤除掉不溶于氢氟酸的滤渣，得到滤液；
步骤(2)中，酸浸溶解过程中，每1g微硅粉的需要添加4-5ml质量分数为40％的氢氟酸。
(3)二氧化硅的制备：向(2)中得到的滤液中加入尿素，并进行水浴加热，加热结束后进行陈化，得到二氧化硅絮状沉淀；
步骤(3)中，加入尿素的质量与微硅粉的质量比为50-70：1。
步骤(3)中，水浴加热温度为80-90℃，加热时间为4-6h。
步骤(3)中，陈化温度为30-50℃，陈化时间为4-6h。
(4)除杂：向步骤(3)得到的二氧化硅产物中加入浓度为12mol/L的盐酸，利用二氧化硅不溶于盐酸的性质将其中溶于酸的金属杂质去除；
步骤(4)中，每1g微硅粉的需要5-10ml浓度为12mol/L的盐酸。
(5)水洗：加入适量蒸馏水，将步骤(4)中过量的酸和附着在微硅粉表面金属杂质去除；
(6)除水：加入无水乙醇将二氧化硅中残余的蒸馏水去除；
(7)干燥：将产物置于干燥箱中低温干燥，得到二氧化硅。
步骤(7)中，干燥温度为60-80℃，干燥时间为4-6h。
本发明所涉及的反应方程式如下所示：
①4HF(aq)+SiO2(s)＝SiF4(g)+H2O(l)
2HF(aq)+SiF4(g)＝H2SiF4(aq)
6HF(aq)+SiO2(s)＝H2SiF6(aq)+H2O(l)
②H2SiF6(aq)+2NH3·H2O(l)＝(NH4)2SiF6(aq)+2H2O(l)
(NH4)2SiF6+4NH3·H2O(aq)＝6NH4F(S)+SiO2(s)+2H2O(l)
③SiF4+2NH4F＝(NH4)2SiF6
首先用氢氟酸将微硅粉溶解，微硅粉中的二氧化硅与氢氟酸连续反应生成氟硅酸溶液；后向过滤所得的氟硅酸溶液中滴加氨水，氨水与氟硅酸反应生成氟硅酸铵，后继续反应生成二氧化硅沉淀。
实施例1-5中所采用的微硅粉原料来自宁夏金圆化工有限公司，经元素含量分析SiO2的含量主要成分如下表：
元素
O
Si
C
K
Mg
Ca
Fe
含量
50.3
39.3
10.71
2.251
1.94
0.92
0.54
元素
Al
Mn
Zn
Na
B
Pb
Cr
含量
0.2187
0.14
0.14
0.11
0.037
0.013
0.013
元素
P
Mo
Ti
Li
Cu
Ba
Co
含量
0.011
0.0064
0.0032
0.0032
0.0028
0.0023
0.0013
经计算得，微硅粉中二氧化硅的含量为84％。
实施例1
一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法，包括以下步骤：
(1)研磨：将微硅粉原粉进行研磨，使其易于溶解，使用的微硅粉(二氧化硅质量占比为84％)，如图1所示，微硅粉呈灰黑色，有较多杂质；
(2)酸浸溶解：向研磨后的微硅粉中加入质量分数为40％的氢氟酸，保证微硅粉能够完全溶解，待到反应结束后过滤除掉不溶于氢氟酸的滤渣，得到滤液；
步骤(2)中，酸浸溶解过程中，每1g微硅粉的需要添加4ml质量分数为40％的氢氟酸。
(3)二氧化硅的制备：向(2)中得到的滤液中加入尿素，并进行水浴加热，加热结束后进行陈化，得到二氧化硅絮状沉淀；
步骤(3)中，加入尿素的质量与微硅粉的质量比为60：1。
步骤(3)中，水浴加热温度为90℃，加热时间为4h。
步骤(3)中，陈化温度为50℃，陈化时间为4h。
(4)除杂：向步骤(3)得到的二氧化硅产物中加入浓度为12mol/L的盐酸，利用二氧化硅不溶于盐酸的性质将其中溶于酸的金属杂质去除；
步骤(4)中，每1g微硅粉的需要10ml浓度为12mol/L的盐酸。
(5)水洗：加入蒸馏水，将步骤(4)中过量的酸和附着在微硅粉表面金属杂质去除；
(6)除水：加入无水乙醇将二氧化硅中残余的蒸馏水去除；
(7)干燥：将产物置于干燥箱中低温干燥，得到二氧化硅，如图2所示，得到的二氧化硅白度较高。
步骤(7)中，干燥温度为80℃，干燥时间为4h。
将实施例1得到的二氧化硅做电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定其中的元素种类及其含量，主要的元素含量如表1所示：
表1提纯得到的二氧化硅产品中的主要元素及其含量
元素
O
Si
N
Mg
Fe
C
Zn
Ca
含量
55.1
37.40
2.96
0.53
0.25
0.19
0.088
0.027
元素
Na
K
Al
Ti
Mn
Ce
P
B
含量
0.0094
0.0071
0.0058
0.0060
0.0045
0.001
0.0003
0.0002
由表1得，将含量大于0.0001ug/ml的元素总量的定为100％，经计算可得二氧化硅含量为95.78％，相较于微硅粉原粉纯度和白度有了明显提升。
实施例2
一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法，包括以下步骤：
(1)研磨：将微硅粉原粉进行研磨，使其易于溶解；
(2)酸浸溶解：向研磨后的微硅粉中加入质量分数为40％的氢氟酸，保证微硅粉能够完全溶解，待到反应结束后过滤除掉不溶于氢氟酸的滤渣，得到滤液；
步骤(2)中，酸浸溶解过程中，每1g微硅粉的需要添加4ml质量分数为40％的氢氟酸。
(3)二氧化硅的制备：向(2)中得到的滤液中加入尿素，并进行水浴加热，加热结束后进行陈化，得到二氧化硅絮状沉淀；
步骤(3)中，加入尿素的质量与微硅粉的质量比为50：1。
步骤(3)中，水浴加热温度为90℃，加热时间为4h。
步骤(3)中，陈化温度为50℃，陈化时间为4h。
(4)除杂：向步骤(3)得到的二氧化硅产物中加入浓度为12mol/L的盐酸，利用二氧化硅不溶于盐酸的性质将其中溶于酸的金属杂质去除；
步骤(4)中，每1g微硅粉的需要10ml浓度为12mol/L的盐酸。
(5)水洗：加入适量蒸馏水，将步骤(4)中过量的酸和附着在微硅粉表面金属杂质去除；
(6)除水：加入无水乙醇将二氧化硅中残余的蒸馏水去除；
(7)干燥：将产物置于干燥箱中低温干燥，得到二氧化硅。
步骤(7)中，干燥温度为80℃，干燥时间为4h。
实施例3
一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法，包括以下步骤：
(1)研磨：将微硅粉原粉进行研磨，使其易于溶解；
(2)酸浸溶解：向研磨后的微硅粉中加入质量分数为40％的氢氟酸，保证微硅粉能够完全溶解，待到反应结束后过滤除掉不溶于氢氟酸的滤渣，得到滤液；
步骤(2)中，酸浸溶解过程中，每1g微硅粉的需要添加5ml质量分数为40％的氢氟酸。
(3)二氧化硅的制备：向(2)中得到的滤液中加入尿素，并进行水浴加热，加热结束后进行陈化，得到二氧化硅絮状沉淀；
步骤(3)中，加入尿素的质量与微硅粉的质量比为70：1。
步骤(3)中，水浴加热温度为90℃，加热时间为4h。
步骤(3)中，陈化温度为50℃，陈化时间为4h。
(4)除杂：向步骤(3)得到的二氧化硅产物中加入浓度为12mol/L的盐酸，利用二氧化硅不溶于盐酸的性质将其中溶于酸的金属杂质去除；
步骤(4)中，每1g微硅粉的需要10ml浓度为12mol/L的盐酸。
(5)水洗：加入适量蒸馏水，将步骤(4)中过量的酸和附着在微硅粉表面金属杂质去除；
(6)除水：加入无水乙醇将二氧化硅中残余的蒸馏水去除；
(7)干燥：将产物置于干燥箱中低温干燥，得到二氧化硅。
步骤(7)中，干燥温度为80℃，干燥时间为4h。
实施例4
一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法，包括以下步骤：
(1)研磨：将微硅粉原粉进行研磨，使其易于溶解；
(2)酸浸溶解：向研磨后的微硅粉中加入质量分数为40％的氢氟酸，保证微硅粉能够完全溶解，待到反应结束后过滤除掉不溶于氢氟酸的滤渣，得到滤液；
步骤(2)中，酸浸溶解过程中，每1g微硅粉的需要添加5ml质量分数为40％的氢氟酸。
(3)二氧化硅的制备：向(2)中得到的滤液中加入尿素，并进行水浴加热，加热结束后进行陈化，得到二氧化硅絮状沉淀；
步骤(3)中，加入尿素的质量与微硅粉的质量比为60：1。
步骤(3)中，水浴加热温度为95℃，加热时间为6h。
步骤(3)中，陈化温度为50℃，陈化时间为6h。
(4)除杂：向步骤(3)得到的二氧化硅产物中加入浓度为12mol/L的盐酸，利用二氧化硅不溶于盐酸的性质将其中溶于酸的金属杂质去除；
步骤(4)中，每1g微硅粉的需要10ml浓度为12mol/L的盐酸。
(5)水洗：加入适量蒸馏水，将步骤(4)中过量的酸和附着在微硅粉表面金属杂质去除；
(6)除水：加入无水乙醇将二氧化硅中残余的蒸馏水去除；
(7)干燥：将产物置于干燥箱中低温干燥，得到二氧化硅。
步骤(7)中，干燥温度为80℃，干燥时间为4h。
实施例5
一种利用微硅粉提纯二氧化硅的方法，包括以下步骤：
(1)研磨：将微硅粉原粉进行研磨，使其易于溶解；
(2)酸浸溶解：向研磨后的微硅粉中加入质量分数为40％的氢氟酸，保证微硅粉能够完全溶解，待到反应结束后过滤除掉不溶于氢氟酸的滤渣，得到滤液；
步骤(2)中，酸浸溶解过程中，每1g微硅粉的需要添加5ml质量分数为40％的氢氟酸。
(3)二氧化硅的制备：向(2)中得到的滤液中加入尿素，并进行水浴加热，加热结束后进行陈化，得到二氧化硅絮状沉淀；
步骤(3)中，加入尿素的质量与微硅粉的质量比为60：1。
步骤(3)中，水浴加热温度为80℃，加热时间为4h。
步骤(3)中，陈化温度为30℃，陈化时间为4h。
(4)除杂：向步骤(3)得到的二氧化硅产物中加入浓度为12mol/L的盐酸，利用二氧化硅不溶于盐酸的性质将其中溶于酸的金属杂质去除；
步骤(4)中，每1g微硅粉的需要5ml浓度为12mol/L的盐酸。
(5)水洗：加入适量蒸馏水，将步骤(4)中过量的酸和附着在微硅粉表面金属杂质去除；
(6)除水：加入无水乙醇将二氧化硅中残余的蒸馏水去除；
(7)干燥：将产物置于干燥箱中低温干燥，得到二氧化硅。
步骤(7)中，干燥温度为60℃，干燥时间为4h。