一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法
阅读说明：本技术 一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法 (Method for extracting nanoscale silicon carbide from superfine silicon carbide tailings ) 是由 黄威 徐天兵 刘世凯 韩平 刘峰 李珂 左立杰 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法,该方法为,将碳化硅超细粉尾料加入水醇比为1：2-3：1的纯乙二醇溶液中,充分混合均匀后静置,进行自然沉降,再通过对自然沉降后留下的上清液进行离心处理,离心转速控制在5000-20000转,离心时间控制在5-15分钟,从而提取得到纳米级碳化硅。本发明所述的方法能更好从超细碳化硅尾料中提取出纳米级碳化硅,提取效率高,降低企业的成本,使生产碳化硅企业通过此方式来增加创收。(The invention discloses a method for extracting nanoscale silicon carbide from superfine silicon carbide tailings, which comprises the following steps of adding silicon carbide superfine powder tailings into a reactor with a water-alcohol ratio of 1: 2-3: 1, fully and uniformly mixing, standing, naturally settling, and centrifuging the supernatant remained after natural settling, wherein the centrifugal speed is controlled at 5000-. The method can better extract the nanoscale silicon carbide from the superfine silicon carbide tailings, has high extraction efficiency, reduces the cost of enterprises, and increases the income of enterprises producing silicon carbide by the method.)
技术领域
本发明涉及一种碳化硅的生产工艺，特别涉及一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法。
背景技术
碳化硅材料由于其具有弹性模量较高、导热系数良好、不容易易被腐蚀、比重和金属材料相比低、导热性能良好等优良的物理化学性能，因而受到人们广泛的重视，积极的对碳化硅进行研究探索，对碳化硅的认识更为细致化、丰富化，进一步拓宽碳化硅的相关应用领域，如在磨料磨具、半导体材料、电动汽车相关领域、核燃料颗粒包层、电催化、天文学等等领域都有着广泛的应用。
传统的碳化硅制备方法是将焦炭与石英砂混合，利用焦炭中所含有的石油焦原料以及石英砂中丰富的二氧化硅原料，之后加入NaCl和木屑充分的搅拌混合起来，将混合搅拌好的混合物放置于高温炉中，将炉内的温度升高加热到2000℃左右的高温，进行烧制，最后通过各种不同的物理化学工艺后，提取最终得到碳化硅微粉。但最后得到碳化硅微粉经过分级提纯后有大量的细粒度料残留导致滞销，这些尾料中有着大量的纳米级别的碳化硅，这些纳米级别的碳化硅对各种领域有巨大的优势来使其变成更加优秀的产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，提取分离效果好的超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法，其特点是，该方法为，将碳化硅超细粉尾料加入水醇比为1：2-3：1的纯乙二醇溶液中，充分混合均匀后静置，进行自然沉降，再通过对自然沉降后留下的上清液进行离心处理，离心转速控制在5000-20000转，离心时间控制在5-15分钟，从而提取得到纳米级碳化硅。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，该方法包括如下具体步骤，
1）取水醇比为1：2-3：1的纯乙二醇溶液1000ml于烧杯中，
2）将碳化硅超细粉尾料加入装有纯乙二醇溶液的烧杯中，用玻璃棒搅拌并放入超声仪器中超声2-7分钟；
3）超声结束后，将烧杯取出放置于洁净干燥的地方，静置，使其自然沉降1-3天；
4） 静止结束后，用移液管将上清液取出，放置于离心管中离心，离心转速为8000-16000转，离心时间为5-12分钟，离心后过滤得到纳米级碳化硅。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，在步骤4）中，离心转速为12000转，离心时间为10分钟。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下技术方案实现，在步骤1）中，所述纯乙二醇溶液的水醇比控制在1：1或2：1。
与现有技术相比，本发明通过采用水醇比为2：1的溶液或者水醇比为1：1的溶液对超细碳化硅尾料充分混合均匀，进行自然沉降后对上清液采用离心，离心转速控制在8000-14000转，离心5-12分钟，得到提取效果好，分离效率高的纳米碳化硅，而且粒度均匀好。
附图说明
图1为某企业碳化硅尾料的粒度分析图；
图2 为纯水溶液离心5分钟不同离心转速测得的提纯分离的碳化硅的粒度分布图；
图3 为纯水溶液离心10分钟不同离心转速测得的提纯分离的碳化硅的粒度分布图；
图4为纯水溶液5分钟离心D50分布的折线图；
图5为纯水溶液10分钟离心D50分布的折线图；
图6为纯乙二醇溶液离心5分钟不同离心转速测得的提纯分离的碳化硅的粒度分布图；
图7为纯乙二醇溶液离心10分钟不同离心转速测得的提纯分离的碳化硅的粒度分布图；
图8为纯乙二醇溶液5分钟离心D50分布的折线图；
图9为纯乙二醇溶液10分钟离心D50分布的折线图；
图10为水醇比为1：1溶液离心5分钟不同离心转速测得的提纯分离的碳化硅的粒度分布图；
图11为水醇比为1：1溶液离心10分钟不同离心转速测得的提纯分离的碳化硅的粒度分布图；
图12为水醇比1：1溶液5分钟离心D50分布的折线图；
图13为水醇比1：1溶液10分钟离心D50分布的折线图；
图14 水醇比为1：2溶液离心5分钟不同离心转速测得的提纯分离的碳化硅的粒度分布图；
图15 水醇比为1：2溶液离心10分钟不同离心转速测得的提纯分离的碳化硅的粒度分布图；
图16为水醇比为2：1溶液离心5分钟不同离心转速测得的提纯分离的碳化硅的粒度分布图；
图17为水醇比为2：1溶液离心10分钟不同离心转速测得的提纯分离的碳化硅的粒度分布图；
图18为水醇比2：1溶液5分钟离心D50分布的折线图；
图19为水醇比2：1溶液10分钟离心D50分布的折线图；
图20为不同溶液体系转速为8000转5分钟分离出来的碳化硅的粒度分布图；
图21为不同溶液体系转速为8000转10分钟分离出来的碳化硅的粒度分布图；
图22为同溶液体系转速为10000转5分钟分离出来的碳化硅的粒度分布图；
图23为不同溶液体系转速为10000转10分钟分离出来的碳化硅的粒度分布图；
图24为不同溶液体系转速为12000转5分钟分离出来的碳化硅的粒度分布图；
图25为不同溶液体系转速为12000转10分钟分离出来的碳化硅的粒度分布图；
图26为不同溶液体系转速为14000转5分钟分离出来的碳化硅的粒度分布图；
图27为不同溶液体系转速为14000转10分钟分离出来的碳化硅的粒度分布图；
图28为水醇比1：1溶液体系分离提取5分钟离心的粒度分布图；
图29为水醇比1：1溶液体系分离提取10分钟离心的粒度分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法，该方法为，将碳化硅超细粉尾料加入水醇比为1：2-3：1的纯乙二醇溶液中，充分混合均匀后静置，进行自然沉降，再通过对自然沉降后留下的上清液进行离心处理，离心转速控制在5000-20000转，离心时间控制在5-15分钟，从而提取得到纳米级碳化硅。
实施例1，一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法，该方法包括如下具体步骤，
1）取水醇比为1：2的纯乙二醇溶液1000ml于烧杯中，
2）取50g碳化硅超细粉尾料加入装有纯乙二醇溶液的烧杯中，用玻璃棒搅拌并放入超声仪器中超声5分钟；
3）超声结束后，将烧杯取出放置于洁净干燥的地方，静置，使其自然沉降2天；
4） 静止结束后，用移液管将上清液取出，放置于离心管中离心，离心转速为8000转，离心时间为5分钟，离心后过滤得到纳米级碳化硅。
实施例2，一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法，该方法包括如下具体步骤，
1）取水醇比为3：1的纯乙二醇溶液1000ml于烧杯中，
2）取50g碳化硅超细粉尾料加入装有纯乙二醇溶液的烧杯中，用玻璃棒搅拌并放入超声仪器中超声5分钟；
3）超声结束后，将烧杯取出放置于洁净干燥的地方，静置，使其自然沉降2天；
4） 静止结束后，用移液管将上清液取出，放置于离心管中离心，离心转速为16000转，离心时间为12分钟，离心后过滤得到纳米级碳化硅。
实施例3，一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法，该方法包括如下具体步骤，
1）取水醇比为1：1的纯乙二醇溶液1000ml于烧杯中，
2）取50g碳化硅超细粉尾料加入装有纯乙二醇溶液的烧杯中，用玻璃棒搅拌并放入超声仪器中超声5分钟；
3）超声结束后，将烧杯取出放置于洁净干燥的地方，静置，使其自然沉降2天；
4） 静止结束后，用移液管将上清液取出，放置于离心管中离心，离心转速为12000转，离心时间为10分钟，离心后过滤得到纳米级碳化硅。
实施例3，一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法，该方法包括如下具体步骤，
1）取水醇比为1：1的纯乙二醇溶液1000ml于烧杯中，
2）取50g碳化硅超细粉尾料加入装有纯乙二醇溶液的烧杯中，用玻璃棒搅拌并放入超声仪器中超声5分钟；
3）超声结束后，将烧杯取出放置于洁净干燥的地方，静置，使其自然沉降2天；
4） 静止结束后，用移液管将上清液取出，放置于离心管中离心，离心转速为10000转，离心时间为10分钟，离心后过滤得到纳米级碳化硅。
实施例4，一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法，该方法包括如下具体步骤，
1）取水醇比为2：1的纯乙二醇溶液1000ml于烧杯中，
2）取50g碳化硅超细粉尾料加入装有纯乙二醇溶液的烧杯中，用玻璃棒搅拌并放入超声仪器中超声5分钟；
3）超声结束后，将烧杯取出放置于洁净干燥的地方，静置，使其自然沉降2天；
4） 静止结束后，用移液管将上清液取出，放置于离心管中离心，离心转速为12000转，离心时间为8分钟，离心后过滤得到纳米级碳化硅。
实施例5，一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法，该方法包括如下具体步骤，
1）取水醇比为2：1的纯乙二醇溶液1000ml于烧杯中，
2）取50g碳化硅超细粉尾料加入装有纯乙二醇溶液的烧杯中，用玻璃棒搅拌并放入超声仪器中超声5分钟；
3）超声结束后，将烧杯取出放置于洁净干燥的地方，静置，使其自然沉降2天；
4） 静止结束后，用移液管将上清液取出，放置于离心管中离心，离心转速为10000转，离心时间为10分钟，离心后过滤得到纳米级碳化硅。
实施例6，一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法，该方法包括如下具体步骤，
1）取水醇比为1：1的纯乙二醇溶液1000ml于烧杯中，
2）取50g碳化硅超细粉尾料加入装有纯乙二醇溶液的烧杯中，用玻璃棒搅拌并放入超声仪器中超声5分钟；
3）超声结束后，将烧杯取出放置于洁净干燥的地方，静置，使其自然沉降2天；
4） 静止结束后，用移液管将上清液取出，放置于离心管中离心，离心转速为8000转，离心时间为12分钟，离心后过滤得到纳米级碳化硅。
实施例7，一种超细碳化硅尾料中纳米级碳化硅的提取方法，该方法包括如下具体步骤，
1）取水醇比为2：1的纯乙二醇溶液1000ml于烧杯中，
2）取50g碳化硅超细粉尾料加入装有纯乙二醇溶液的烧杯中，用玻璃棒搅拌并放入超声仪器中超声5分钟；
3）超声结束后，将烧杯取出放置于洁净干燥的地方，静置，使其自然沉降2天；
4） 静止结束后，用移液管将上清液取出，放置于离心管中离心，离心转速为14000转，离心时间为8分钟，离心后过滤得到纳米级碳化硅。
本发明中采用了自然沉降，原理为不同粒度的碳化硅在溶液中受到不同的浮力以及重力最后分布于不同的层次中，大颗粒将沉淀于容器的底部，纳米级小颗粒分布在溶液中上层，形成悬浊液，将液体提取出来进行离心最后得到纳米级颗粒的碳化硅，离心通过时间，转速的控制，最后通过激光粒度测试仪来测定检测得到的纳米碳化硅。
下面为不同体系的溶液、不同离心转速及不同离心时间对碳化硅超细粉尾料中纳米碳化硅的提取效果进行实验，具体情况如下：
1.1试验器材及药品
1.1.1试验仪器
1000ml烧杯、800ml烧杯、50ml烧杯、500ml量筒、玻璃杯、移液管、离心管、计时器、取药匙、取样纸、坩埚、坩埚钳。其他仪器如表1-1所示。
表1-1 仪器型号及产地
1.1.2试验药品
某企业6000目的碳化硅废弃尾料、去离子水、乙二醇。
1.2试验步骤
a. 取样50g某企业的碳化硅废弃尾料置于干燥洁净的取药纸上。
b. 取去离子水1000ml于1000ml烧杯中。
c. 将取出的原料加入烧杯中，用玻璃棒搅拌并放入超声仪器中超声5分钟。
d. 超声结束后，将烧杯取出放置于洁净干燥的地方，静止使其自然沉降2d。
e. 静止结束后，用移液管将中上层液体取出放置于烧杯中备用。
f. 重复上述操作，溶液分别为水醇比为1：1、1：2、2：1和纯乙二醇溶液。
g. 将上述得到的溶液取出加入离心管中离心，改变离心时间，以及离心的转速来得到不同的纳米碳化硅。
h. 将得到纳米碳化硅放入激光粒度测试仪中进行检测鉴定。
i. 归纳总结数据进行分析
2纳米碳化硅分离提取研究
2.1不同溶液体系提纯数据分析
2.1.1 原料的分析
我们对某企业所生产的碳化硅留下的尾料进行了激光粒度分析测试；图1为某企业碳化硅尾料所得测出的粒度实验结果。根据结果图的显示，该企业的生产出来的6000目（2.5微米）的碳化硅尾料粒度分布较为广泛，D5为0.837nm；D90为4.206um其中所包含了不少的纳米级碳化硅颗粒，这些颗粒存在于尾料中，大大浪费了这些物质，纳米级碳化硅对于我们来说是一个非常有意义的物质。从粒度分布图来看，碳化硅尾料的平均粒径在2.506微米，纳米级别的碳化硅在尾料中的占比相对于较低，所以我们在实验的时候应该合理的掌控方式，防止因为操作的失误导致实验的失败。
2.1.2 纯水溶液的提取离心的分析
图2、图3是以去离子水为纯水体系的溶液，经过两天的自然沉降后，分别通过离心5分钟和10分钟，以及8000转、10000转、12000转和14000转的离心转速最后测得的粒度分布图作为对比。其中D50的分布由折线图图4和图5所表示出来，最后综合分析可知，纯水溶液为体系的溶液最后能提纯分离出纳米级的碳化硅颗粒。但是相互对比这下，离心转速越高最后所得的粒度越来越宽，时间越长颗粒分离出来的越多，进而，通过纯水的提取分离只有在选择合适的离心转速下才能达到我们所需的要求。最主要的是，最后发现纯水的可控制性差，所以在企业的提取时不可借鉴此溶液来沉降。
2.1.3 纯乙二醇溶液的提取离心的分析
图6、图7是以纯乙二醇为体系的溶液，经过两天的自然沉降后，分别通过离心5分钟和10分钟，以及8000转、10000转、12000转和14000转的离心转速最后测得的粒度分布图的相互对比图。其中他们所分离出来的D50的颗粒由图8和图9所表示出来。经过对四个图的综合分析，该溶液体系将企业尾料中的纳米级碳化硅颗粒分离出来，且不难看出时间为5分钟的时候所分离提取出来的颗粒分布相对比较的均匀，但时间为10分钟的分离提取对和5分钟的相比，差距相对较大且分布范围变广。所以离心选择5分钟的纯乙二醇溶液体系可以得到粒度分布相对集中的纳米级碳化硅颗粒。
2.1.4 水醇比为1：1溶液的提取离心的分析
图10、图11是以水醇比为1：1为体系的溶液，经过两天的自然沉降后，分别通过离心5分钟和10分钟，以及8000转、10000转、12000转和14000转的离心转速最后测得的粒度分布图的对比图。其体系溶液他们所分离出来的D50颗粒由图12和图13所表示出来。对数据的综合分析可知，水醇比1：1的溶液体系最后经过10分钟的离心后得到的纳米级碳化硅的分布更为的均匀集中，得到的颗粒也较多与转速无太大的关系，5分钟的离心提取出来的纳米级颗粒相对来说分布太广。最后的选择是沉淀后进行10分钟的离心进一步提取。
2.1.5 水醇比为1：2溶液的提取离心的分析
图14、图15是以水醇比为1：2为体系的溶液，经过两天的自然沉降后，分别通过离心5分钟和10分钟，以及8000转、10000转、12000转和14000转的离心转速最后测得的粒度分布图的对比图。综合对比不难看出，水醇比为1：2为体系的溶液难以分离不出来纳米级碳化硅颗粒。所以该溶液的方案不推荐使用。
2.1.6 水醇比为2：1溶液的提取离心的分析
图3-16、图3-17是以水醇比为1：2为体系的溶液，经过两天的自然沉降后，分别通过离心5分钟和10分钟，以及8000转、10000转、12000转和14000转的离心转速最后测得的粒度分布图的对比图。该体系溶液所分离出来的D50颗粒的分布由图18和图19所表示。经过综合的分析可知，该溶液对于提取纳米级碳化硅来说十分的合适，提取的范围比较集中，分布较窄，且对于颗粒的浪费很少。D90也是全部都是纳米级别的颗粒，没有超出纳米级的范围。激光粒度测试仪测试出来的峰线也是高而窄。特别适合提取分离出纳米级碳化硅，能达到我们所需要的要求。但相对而言，转速越快，是时间越长，对于提取有着有着很大的帮助。
2.2 离心转速对分离提取的数据分析
2.2.1 离心转速为8000转综合对比
参照图20、21，综上所得结果得综合分析，我们可以发现在相同的离心转速的情况下分离出来得效果最好得分别为水大于纯乙二醇大于水醇比为1：1的溶液大于水醇比为2：1的溶液大于水醇比为1：2的溶液，相比而言，加上转速时间的越长，得到的纳米级碳化硅的效率越好。
2.2.2 离心转速为10000转综合对比
参照图22、23，总上述10000转转速离心后所得到的结果，可得出离心的效率比8000转的离心效率高，对于不同溶液而言，提纯分级的效率也得到了有效的提高。水醇比为1：2的溶液对于分级提纯来说，效果不太明显，基本分不出纳米级别的碳化硅纳米颗粒，综合分析可能是溶液的体系导致颗粒受力大幅度改变，致使到不到分级提纯的要求，对于时间而言，还是体现出了时间越长，提纯分级出来的颗粒分布越好。
2.1.1 离心转速为12000转综合对比
参照图24、25，综上12000转离心转速的实验后，经过激光粒度测试仪测定，由此可看出，在12000转速的条件，粒度分布的更加的集中，同时，取得的粒度更加细致，最小的粒度可达到100纳米左右，但是对于纯水来说，提取分级的效率开始小于之前的8000，10000转速的效率，分析一下得出，水溶液条件下离心，致使最后干燥提取出的纳米碳化硅颗粒会致使损失。水的溶解度都会大于其他的溶液，所以离心后还是会随着水流失。
2.2.4 离心转速为14000转综合对比
参照图26、27，综上14000转离心转速的实验，进一步的可一发现当水醇比为1：1时，最后得出的纳米碳化硅最为稳定。激光粒度测定仪测出的粒度结果相互的对比，最终发现转速越高，分离出来的碳化硅就越多，最后一组纯去离子水的溶液提取的出的碳化硅包含有纳米的，也有微米级别的。分析一下其原因，取出的溶液因为操作的原因，致使将下层沉淀的的碳化硅颗粒吸取取了出来，导致溶液最后不属于静止之后的溶液。
3.3 离心时间对分离提取的数据分析
参照图28、29，通过对上述两种不同的研究选出了较好的优化体系水醇比为1：1的体系溶液的分离提取试验研究分析表明同溶液，相同转速，不同的离心时间，最后通过激光粒度测试仪测定后发现，所得到的纳米级碳化硅的相关品质也不一样，5分钟的离心也10分钟的离心效率完全不同，5分钟的离心，会发现分离提取出来的碳化硅分布的明显的特别宽，且各个不同的粒度也分布的不均匀，纳米级颗粒的数量明显比10分钟的离心少。进一步的分析会发现清液中的粒度没有完全分离提取出来。相比在通过10分钟的离心后，最后测得的粒度分布更加的宽，且每个粒度的体积有着明显的上升，说明了离心时间越长，最后得到的纳米碳化硅更加的丰富，难以分离出来的100纳米的碳化硅的量也明显的增多。
综上所述，采用五种不同的溶液体系，分别为纯去离子水、纯乙二醇溶液、水醇比为1：1的溶液、水醇比为1：2的溶液、水醇比为2：1的溶液；之后进行四种离心转速（8000转、10000转、12000转和14000转）与两种离心时间（5分钟与10分钟）来进行离心，最终得到高纯超细尾料中的纳米级别的碳化硅颗粒；最后通过激光粒度测试仪来检测所提取出来的纳米级碳化硅颗粒。经过对试验结果的综合分析，得出如下结论：
（1）水醇比为2：1的溶液或者水醇比为1：1的溶液，离心的转速为12000转，离心10分钟为优化方案。两种方案分离出来的纳米级碳化硅的粒度分布都较好，水醇比为2：1的溶液的D10为0.251；D90为0.613，且D50为0.441。水醇比为1：1的溶液的D10为0.313；D90为0.689且D50为0.483。两种溶液提取分离出来的纳米级碳化硅较为集中，颗粒也比较多。
（2）纯乙二醇溶液在一定的基础上能提取出纳米级的碳化硅颗粒，但是稍微小的微米级的碳化硅颗粒也会跟随着提取出来，最后导致所提取分离出来的碳化硅颗粒既包含着纳米级碳化硅颗粒，还包含着细小的微米级的碳化硅颗粒，不能完好的达到我们所需要的要求。
（3）纯水的溶液能分离出来的纳米级碳化硅，但只要有稍微的外部因素就会导致不能完全将纳米级的碳化硅分离提纯出来，会导致原料的浪费。
（4）水醇比为1：2的溶液不能区分出纳米级碳化硅出来，碳化硅在溶液里面的还是混合着分布，不符合我们实验设计所需的要求。
最后，对比总结出水醇比为2：1的溶液或者水醇比为1：1的溶液，离心的转速为12000转，离心10分钟为优化分离提取方案。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。