一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法
阅读说明：本技术 一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法 (Method for preparing amorphous silicon dioxide by using baked diatomite ) 是由 任子杰 刘宇航 安琴友 高惠民 唐腾望 于 2021-03-08 设计创作，主要内容包括：一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法,该方法包括以下步骤：S1、将焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠均匀混合；S2、将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠压制成片状样品；S3、先将片状样品置于管式马弗炉内,再将管式马弗炉封闭并检查其气密性,并通入惰性气体氩气以排尽管式马弗炉内空气,然后将管式马弗炉升温后保温,焙烧完成后,冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；S4、先用盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉,再用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性,然后烘干并粉碎得到非晶二氧化硅。本设计不仅操作简单、效率高,而且再生效果好。(A method for preparing amorphous silicon dioxide by using calcined diatomite comprises the following steps: s1, uniformly mixing the roasted diatomite, the magnesium powder and the sodium chloride; s2, pressing the uniformly mixed calcined diatomite, magnesium powder and sodium chloride into a sheet sample; s3, firstly, placing the sheet sample in a tubular muffle furnace, then sealing the tubular muffle furnace, checking the air tightness of the tubular muffle furnace, introducing inert gas argon to exhaust the air in the tubular muffle furnace, then heating the tubular muffle furnace, preserving the heat, and cooling to room temperature after roasting is completed to obtain a roasted diatomite sample; and S4, removing the magnesium powder which does not react in the roasted diatomite sample by hydrochloric acid, cleaning the roasted diatomite sample after acid washing to be neutral by clear water, and then drying and crushing to obtain the amorphous silicon dioxide. The design is simple to operate, high in efficiency and good in regeneration effect.)
技术领域
本发明属于非金属矿物材料深加工领域，尤其涉及一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法。
背景技术
硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，其主要化学成分是二氧化硅，还有少量的三氧化二铝、三氧化二铁和有机杂质。二氧化硅其表面硅醇基与活性硅烷键能形成强弱不等的氢键，具有高纯度、低密度、高比表面积、分散性好等优良特性，同时其还具有良好的光学性能和机械性能。因而在众多行业的产品中，如催化剂载体、高分子复合材料、电子封装材料、精密陶瓷材料、橡胶、造纸、塑料、玻璃钢、粘结剂、高档填料、密封胶、涂料、光导纤维、精密铸造等都得以广泛应用。
焙烧是一种经济、有效的加工硅藻土工艺，也是去除有机质最有效、最简单的一种方法。硅藻土经过焙烧后虽然能除去本身杂质，但经过焙烧过程后硅藻土本身的二氧化硅由非晶态转变成晶态。结晶态二氧化硅的吸入可能导致硅肺病甚至会致癌，故含有大量晶型二氧化硅的硅藻土助滤剂会对生产人员、运输人员及使用人员的健康造成危害，如何降低硅藻土中可吸入晶型二氧化硅的含量已成为国内外学者研究的重点。
目前降低可吸入晶型二氧化硅含量的研究都集中在降低晶型二氧化硅转化率方面，降低转化率可从不添加钠盐助熔剂、甚至不添加任何助熔剂以及减少受热量等方面考虑，具体如下：
（1）闪烁焙烧
硅藻土焙烧改性制备助滤剂过程中，为了得到合适的渗透性，可使微细粒团聚的900℃～1200℃的高温是必须的；所以有学者提出闪烁焙烧的想法，将硅藻土在850℃～1250℃的高温范围内仅仅保温几十毫秒到几秒的时间，然后迅速置于低于850 ℃的环境中，硅藻土表面可以获得使表面熔融结块的足够热量，同时这些热量不足以使二氧化硅发生晶型转变，可获得晶型二氧化硅含量低于1%的产品（美国专利US5179062）；此方法得到的助滤剂渗透率范围为0.06 darcy ～0.4 darcy，但此方法未见大规模、经济应用的相关报道。
（2）添加非钠助熔剂
Bo Wang在专利（美国专利US2010/0126388A1）中提到钠盐对晶型石英的转化有促进作用，可能是由于钠离子破坏二氧化硅网络结构，钠离子半径尺寸适合进入二氧化硅结构中，故选用离子半径较大的钾、铷、铯离子的盐作为助熔剂，焙烧物料中晶型石英的含量随着助熔剂添加量的增大而升高，在添加量同为4%的情况下，添加碳酸钠、碳酸钾、碳酸铷、碳酸铯助熔剂焙烧物料中晶型石英的含量分别为23.2%、1.6%、0.6%及<0.1%；Roland MeyerPITTROFF也在其专利（德国专利DE10235866B4）中提到钾离子是生成晶型二氧化硅的抑制剂；但用钾盐、铷盐或铯盐代替钠盐作为助熔剂得不到渗透率较高的助滤剂。
（3）添加粘接剂后低温焙烧
Pascal DUFOUR在另外两个专利（美国专利US5710090、德国专利DE4440931A1）中提到一种可控制晶型石英转化率及渗透性的硅藻土助滤剂制备方法，为了控制晶型石英的转化，使硅藻土的加热温度低于850 ℃，同时添加粘接剂使硅藻粘接，从而获得较高的渗透性能；粘接剂选择无机粘接剂较好，因为有机粘接剂需要在焙烧后加，这会导致部分孔洞的堵塞从而降低渗透性并提高振实密度，所以选择碱金属硅酸盐或者硅酸作为粘接剂，在焙烧之前将其水溶液喷雾加入或者与硅藻土高速捏合，干燥后进行低温焙烧；通过控制焙烧温度及粘接剂添加量来得到不同渗透率、振实密度及晶型石英转化率的产品；与上述方法类似，王波在专利（中国专利CN102257121A）中公开的方法是使用粘接剂金属铝酸盐，如铝酸钠、铝酸钾、铝酸钙和铝酸镁等。
（4）粗粒焙烧
Peter E. Lenz等人在专利（美国专利US8084392B2）中提到一种既能严格控制晶型二氧化硅含量低于1%，又可获得任意渗透率值的方法；硅藻土原矿经破碎并分级至100μm～1400μm之间，通过900℃～980 ℃的焙烧，保温时间在10min～60min间，得到的焙烧品再次适度粉碎，通过分级得到所需粒级的多种产品，渗透率在0.1darcy～20darcy间，甚至可达到30darcy；原矿分级得到的-100μm物料可用来生产普通的对方石英含量及渗透率无特别要求的助滤剂；
Bruce C. Olmsted的专利（美国专利US4325844）提到的方法，将硅藻土造球后再焙烧，同样可以达到与Peter E. Lenz的专利（美国专利US8084392B2）类似的效果，即大颗粒硅藻在高温下不会完全烧透，只会表面熔融，保证了结构强度与渗透率，同时晶型转化率不会太大。
以上方法均是对焙烧过程进行改进以使硅藻土的晶型转化率降低，但均会影响焙烧效果，致使焙烧效能无法发挥至最大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的操作繁琐、效率低的缺陷与问题，提供一种操作简单、效率高、再生效果好的利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠均匀混合；
S2、将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠压制成片状样品；
S3、将片状样品进行焙烧得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎得到非晶二氧化硅。
步骤S1中，所述焙烧硅藻土为焙烧硅藻土粉体。
步骤S1中，所述镁粉为分析纯，镁粉与焙烧硅藻土的质量比为0.8:1～1:1。
步骤S1中，所述氯化钠为分析纯，氯化钠与焙烧硅藻土的质量比为3:1～10:1。
步骤S2中，将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠置于模具中，并通过压片机压制成片状样品，所述压片机的压力为0.5Mpa～5Mpa。
步骤S3中，将片状样品置于管式马弗炉内，并将管式马弗炉升温后保温，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
所述管式马弗炉的升温速率为5℃/min～8℃/min，管式马弗炉的温度升至500℃～650℃后保温。
步骤S3中，升温前，将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气以排尽管式马弗炉内空气。
步骤S3中，所述保温时间为2h～3h。
步骤S4中，所述盐酸的质量分数为5%～10%。
步骤S4中，粉碎至粒度小于74微米得到非晶二氧化硅。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法中，以焙烧硅藻土为原料，通过添加镁粉、氯化钠，采用镁热还原的方法在高温炉内将焙烧硅藻土再次焙烧，使焙烧硅藻土还原成非晶二氧化硅的形式，从而实现制备高纯度非晶二氧化硅，上述方法针对完全焙烧为晶型二氧化硅的焙烧硅藻土进行非晶型转化，不影响焙烧过程效能的最大发挥，不仅操作简单、效率高，而且再生效果好。因此，本发明操作简单、效率高、再生效果好。
附图说明
图1是本发明一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法的流程图。
图2是焙烧硅藻土的X射线衍射图。
图3是本发明的实施例1中的非晶二氧化硅X射线衍射图。
图4是本发明的实施例2中的非晶二氧化硅X射线衍射图。
图5是本发明的实施例3中的非晶二氧化硅X射线衍射图。
图6是本发明的实施例4中的非晶二氧化硅X射线衍射图。
图7是本发明的对比例1中的焙烧硅藻土与镁粉反应的X射线衍射图。
图8是本发明的对比例2中的焙烧硅藻土反应后的X射线衍射图。
图9是本发明的对比例3中的焙烧硅藻土反应后的X射线衍射图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠均匀混合；
S2、将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠压制成片状样品；
S3、将片状样品进行焙烧得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎得到非晶二氧化硅。
步骤S1中，所述焙烧硅藻土为焙烧硅藻土粉体。
步骤S1中，所述镁粉为分析纯，镁粉与焙烧硅藻土的质量比为0.8:1～1:1。
步骤S1中，所述氯化钠为分析纯，氯化钠与焙烧硅藻土的质量比为3:1～10:1。
步骤S2中，将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠置于模具中，并通过压片机压制成片状样品，所述压片机的压力为0.5Mpa～5Mpa。
步骤S3中，将片状样品置于管式马弗炉内，并将管式马弗炉升温后保温，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
所述管式马弗炉的升温速率为5℃/min～8℃/min，管式马弗炉的温度升至500℃～650℃后保温。
步骤S3中，升温前，将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气以排尽管式马弗炉内空气。
步骤S3中，所述保温时间为2h～3h。
步骤S4中，所述盐酸的质量分数为5%～10%。
步骤S4中，粉碎至粒度小于74微米得到非晶二氧化硅。
本发明的原理说明如下：
本设计以焙烧硅藻土为原料，将焙烧硅藻土与还原剂（镁粉）、盐类（氯化钠）均匀混合后置于高温炉内，焙烧前通入惰性气体排尽炉内空气保证反应在惰性气氛下进行，利用还原剂与盐类共同作用焙烧，高温炉保温一段时间后，待其自然冷却至室温，取出样品，将样品用酸洗去除过量还原剂，再用清水洗涤2～3次至中性后，干燥并研磨成粉得到非晶二氧化硅；该方法可将焙烧硅藻土的晶型二氧化硅转变为非晶型，工艺简单，加工成本低。
实施例1：
参见图1，一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将1g焙烧硅藻土（焙烧硅藻土粉体，来自吉林某公司）、1g镁粉（分析纯）、3g氯化钠（分析纯）均匀混合；
S2、先将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠置于模具中，再将压片机的压力调整为0.5Mpa，然后通过压片机压制成片状样品；
S3、先将片状样品置于管式马弗炉内，再将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气15min以排尽管式马弗炉内空气，然后将管式马弗炉升温，升温速率为5℃/min～8℃/min，温度升至500℃～650℃后保温2h～3h，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用质量分数为5%～10%的盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再过滤并用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎至粒度小于74微米得到非晶二氧化硅。
将非晶二氧化硅取样做X射线衍射分析，结果如图3所示。
实施例2：
参见图1，一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将1g焙烧硅藻土（焙烧硅藻土粉体，来自吉林某公司）、1g镁粉（分析纯）、5g氯化钠（分析纯）均匀混合；
S2、先将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠置于模具中，再将压片机的压力调整为1Mpa，然后通过压片机压制成片状样品；
S3、先将片状样品置于管式马弗炉内，再将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气15min以排尽管式马弗炉内空气，然后将管式马弗炉升温，升温速率为5℃/min～8℃/min，温度升至500℃～650℃后保温2h～3h，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用质量分数为5%～10%的盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再过滤并用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎至粒度小于74微米得到非晶二氧化硅。
将非晶二氧化硅取样做X射线衍射分析，结果如图4所示。
实施例3：
参见图1，一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将1g焙烧硅藻土（焙烧硅藻土粉体，来自吉林某公司）、1g镁粉（分析纯）、8g氯化钠（分析纯）均匀混合；
S2、先将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠置于模具中，再将压片机的压力调整为2Mpa，然后通过压片机压制成片状样品；
S3、先将片状样品置于管式马弗炉内，再将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气15min以排尽管式马弗炉内空气，然后将管式马弗炉升温，升温速率为5℃/min～8℃/min，温度升至500℃～650℃后保温2h～3h，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用质量分数为5%～10%的盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再过滤并用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎至粒度小于74微米得到非晶二氧化硅。
将非晶二氧化硅取样做X射线衍射分析，结果如图5所示。
实施例4：
参见图1，一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将1g焙烧硅藻土（焙烧硅藻土粉体，来自吉林某公司）、1g镁粉（分析纯）、10g氯化钠（分析纯）均匀混合；
S2、先将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠置于模具中，再将压片机的压力调整为3Mpa，然后通过压片机压制成片状样品；
S3、先将片状样品置于管式马弗炉内，再将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气15min以排尽管式马弗炉内空气，然后将管式马弗炉升温，升温速率为5℃/min～8℃/min，温度升至500℃～650℃后保温2h～3h，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用质量分数为5%～10%的盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再过滤并用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎至粒度小于74微米得到非晶二氧化硅。
将非晶二氧化硅取样做X射线衍射分析，结果如图6所示。
实施例5：
参见图1，一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将1g焙烧硅藻土（焙烧硅藻土粉体，来自吉林某公司）、0.8g镁粉（分析纯）、3g氯化钠（分析纯）均匀混合；
S2、先将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠置于模具中，再将压片机的压力调整为0.5Mpa，然后通过压片机压制成片状样品；
S3、先将片状样品置于管式马弗炉内，再将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气15min以排尽管式马弗炉内空气，然后将管式马弗炉升温，升温速率为5℃/min～8℃/min，温度升至500℃～650℃后保温2h～3h，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用质量分数为5%～10%的盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再过滤并用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎至粒度小于74微米得到非晶二氧化硅。
实施例6：
参见图1，一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将1g焙烧硅藻土（焙烧硅藻土粉体，来自吉林某公司）、0.9g镁粉（分析纯）、3g氯化钠（分析纯）均匀混合；
S2、先将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠置于模具中，再将压片机的压力调整为0.5Mpa，然后通过压片机压制成片状样品；
S3、先将片状样品置于管式马弗炉内，再将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气15min以排尽管式马弗炉内空气，然后将管式马弗炉升温，升温速率为5℃/min～8℃/min，温度升至500℃～650℃后保温2h～3h，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用质量分数为5%～10%的盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再过滤并用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎至粒度小于74微米得到非晶二氧化硅。
对比例1：
一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将1g焙烧硅藻土（焙烧硅藻土粉体，来自吉林某公司）、1g镁粉（分析纯）均匀混合；
S2、先将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉置于模具中，再将压片机的压力调整为0.5Mpa，然后通过压片机压制成片状样品；
S3、先将片状样品置于管式马弗炉内，再将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气15min以排尽管式马弗炉内空气，然后将管式马弗炉升温，升温速率为5℃/min～8℃/min，温度升至500℃～650℃后保温2h～3h，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用质量分数为5%～10%的盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再过滤并用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎至粒度小于74微米即可。
将实验后的产品取样做X射线衍射分析，结果如图7所示。
对比例2：
参见图1，一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将1g焙烧硅藻土（焙烧硅藻土粉体，来自吉林某公司）、1g镁粉（分析纯）、1g氯化钠（分析纯）均匀混合；
S2、先将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠置于模具中，再将压片机的压力调整为0.5Mpa，然后通过压片机压制成片状样品；
S3、先将片状样品置于管式马弗炉内，再将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气15min以排尽管式马弗炉内空气，然后将管式马弗炉升温，升温速率为5℃/min～8℃/min，温度升至500℃～650℃后保温2h～3h，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用质量分数为5%～10%的盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再过滤并用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎至粒度小于74微米即可。
将实验后的产品取样做X射线衍射分析，结果如图8所示。
对比例3：
参见图1，一种利用焙烧硅藻土制备非晶二氧化硅的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将1g焙烧硅藻土（焙烧硅藻土粉体，来自吉林某公司）、1g镁粉（分析纯）、2g氯化钠（分析纯）均匀混合；
S2、先将均匀混合后的焙烧硅藻土、镁粉、氯化钠置于模具中，再将压片机的压力调整为0.5Mpa，然后通过压片机压制成片状样品；
S3、先将片状样品置于管式马弗炉内，再将管式马弗炉封闭并检查其气密性，并通入惰性气体氩气15min以排尽管式马弗炉内空气，然后将管式马弗炉升温，升温速率为5℃/min～8℃/min，温度升至500℃～650℃后保温2h～3h，焙烧完成后，冷却至室温得到焙烧硅藻土样品；
S4、先用质量分数为5%～10%的盐酸去除焙烧硅藻土样品中未发生发应的镁粉，再过滤并用清水将酸洗后的焙烧硅藻土样品清洗至中性，然后烘干并粉碎至粒度小于74微米即可。
将实验后的产品取样做X射线衍射分析，结果如图9所示。
由图2观察可以看出，焙烧过后的硅藻土结晶程度较好，石英的峰较明显且无其他杂峰出现；当镁粉与焙烧硅藻土均匀混合，不加入氯化钠时，由图7可以看出，此时发生的化学反应为镁热还原反应，硅藻土中二氧化硅被还原成了硅单质，虽然在20度～30度之间出现了弥散的馒头峰，但硅的峰较为明显，按照焙烧硅藻土与氯化钠质量比为1:1和1:2的条件下加入氯化钠发生发应时，由图8、图9的X射线衍射图可以看出，反应结果与未加氯化钠时图7呈现的X射线衍射图形状较为相似，即硅的峰较为尖锐；当按照焙烧硅藻土与氯化钠质量比为1:3～1:10的条件下加入氯化钠，将三者均匀混合后，由图3至图6可以观察到，无明显尖锐峰出现，且在20度～30度之间出现了弥散的馒头峰，这证明此时的产物为非晶二氧化硅，且其纯度较好。