张梦娟,孔 丹,陈秋宇,徐 铮,岳丘岭,张兆群

(辽东学院 化学工程学院，辽宁 丹东 118003)

我国作为世界上主要的产稻国家，稻壳数量庞大(每年超过4000万吨，目前尚未找到合适的开发利用途径，在许多地方成为农业废弃物，或用焚烧处理，利用其热能，焚烧后的稻壳灰加重了环境新污染，对环境产生巨大压力[1]。因此，为稻壳寻找合适的出路已成为日益迫切的课题。自然界中的SiO2大多数呈结晶状态，无定形SiO2很少，水稻通过生物矿化方式富集在稻壳中[2]，等于为人类提取了大量的非晶态无定形 SiO2，稻壳含有20% 无定形SiO2，这是一种很有价值的矿物[3-4]。合理地研发与应用不仅降低污染、净化环境同时创造较为可观的经济效益，符合国家绿色经济、绿色产业的总体思想。近些年我国对稻壳的应用性研究也逐见成效，且大多以其燃烧后的稻壳灰，经沉淀法制备白炭黑[5-6]，但系统的研究工作过程中各影响因素对产品质量的影响，特别是对白炭黑中间产物水玻璃的工艺参数的细化的研究报道甚少，在一定程度上制约了工业化生产的路径。本文以稻壳干法碳化后的稻壳灰为研究对象，从灰化温度、灰化时间、碱液浓度以及反应时间入手，利用正交试验设计简约有效地优化了水玻璃的制备工艺参数，这对指导下一阶段白炭黑的生产具有一定的现实意义。

1 实验部分

1.1 主要实验仪器与药品

PHS-25pH计(上海精密科学仪器有限公司)，托盘天平(上海精科有限公司)，瓷坩埚(上海精科有限公司)，2X-4A双级旋片式真空泵(上海南光真空泵厂)，氢氧化钠标准溶液、盐酸标准溶液、氟化钠、过氧化氢等(均为分析纯 ，天津市永大化学试剂有限司)。

1.2 工艺路线

1.3 水玻璃的制备

1.3.1 实验步骤

将稻壳经过初步过滤后加热到600℃，煅烧生成稻壳灰。将稻壳灰用研钵进行研磨，20min后用100目的滤筛进行过滤。过滤之后进行加热搅拌，温度为60℃，用水洗涤。搅拌时间为30 min。重复洗涤。将反复洗涤之后的稻壳灰在60℃的条件下用盐酸(9%)调节pH值至1.0。在pH值1.0中下浸泡2h，使稻壳灰溶液pH变得均匀。浸泡均匀后用蒸馏水对稻壳灰进行洗涤，并不停地进行pH检测，当pH值变为7.0(中性)时停止洗涤。将洗涤后的稻壳灰溶液进行抽滤，将抽滤后的稻壳灰固体放入远红外电热干燥箱中进行干燥，时间大概为10h。将烘干完毕的稻壳灰和氢氧化钠进行混合，按条件进行反应。反应结束后， 自然冷却， 经抽滤瓶抽滤， 将滤液转移至洁净的塑料瓶中即得水玻璃产品。

1.4 模数的测定

1.4.1 氧化钠含量的测定

称量10g的样品，精确到0.001g，在250mL容量瓶中，加入蒸馏水，使其溶解并稀释至刻度线，摇匀。在一个300mL锥形瓶中，用吸管移入50mL样品，加入约9滴甲基红色指示剂，用盐酸标准溶液滴定，当变成红色时滴定结束点。

1.4.2 二氧化硅含量的测定

在上述操作后的溶液中倒入4g左右的氟化钠粉末，摇晃均匀让它完全的溶解变成了黄色的溶液，用盐酸的标准溶液保持恒定滴定，直到红色不褪色。再多滴1～2mL,然后用氢氧化钠标准溶液滴定，当溶液变成黄色时为滴定终点。

1.5 溶出率的测定

添加2mL乙醇溶液样品为了促进统一样品灰化，使用低温炉的坩埚，把坩埚盖留一小缝，逐渐增加温度，当坩埚内为灰色时停止加热让其冷却，加8滴左右的硝酸溶液和3滴H2O2。低温进行干燥，干燥加热直到有灰白色物生成。

2 结果与讨论

2.1 物料比对模数和溶出率的影响

在60℃，反应时间4h，物料配比对水玻璃模数和SiO2的溶出率的不同的影响做了研究。

如图1和图2所示，随着物料比增加，溶液中氢氧化钠含量增加，与稻壳灰充分接触。水玻璃模数随着物料比先增加后减少，当物料比为10g/50mL时模数最高。物料比增加，二氧化硅溶出率逐渐增加，但10g/70mL后增长相当缓慢图线接近于水平。综合考虑，选用10g/70mL物料比为宜。

图1 物料比对模数的影响

图2 物料比对溶出率的影响

2.2 温度对模数和溶出率的影响

物料比10g/70mL的和反应时间4h的条件下，反应温度对模数和SiO2的溶出率的影响进行了研究，如图3和图4所示。

图3 温度对模数的影响

图4 温度对溶出率的影响

如图3和图4所示，温度对模数和SiO2溶出率影响。反应温度升高，水玻璃模数逐渐提升，100℃以后模数变化不大。温度的提升，SiO2溶出率也增加，100℃后溶出率下降。故选用100℃反应温度最适宜。

2.3 时间对模数和溶出率的影响

在物料比10g/70mL，反应温度100℃条件下，反应时间对模数和SiO2的溶出率的影响进行了研究，如图5和图6所示。

图5 反应时间对模数的影响

图6 反应时间对溶出率的影响

如图5和图6所示，随着反应时间的增加，模数先增加后降低，6h时模数最高为2.9。随着反应时间的增加，溶出率逐渐增加，6h时溶出率达90%，之后溶出率增幅较小。综合考虑，选择6h反应时间最适宜。

2.4 结论

通过对稻壳灰生产水玻璃中主要参数温度、物料比以及反应时间的考察，进一步以简 洁的正交试验设计，综合考虑，本实验得到的模数和溶出率最高的最佳工艺条件为，物料比10g/70mL，反应温度为100℃，反应时间为6h条件下生产的水玻璃模数为2.9，二氧化硅溶出率为90%。

[1] 欧阳东，陈 楷.低温焚烧稻壳灰的显微结构及其化学活性[J].硅酸盐学报.2003(11)：1121-1124.

[2] 李凤舞.利用稻壳灰制取水玻璃和活性碳[J].吉林粮专学报.1993(2)：21-23.

[3] 戴志成.硅化合物的生产与应用[M].成都:成都科技大学出版社,1994.

[4] 卢芳仪,卢爱军.稻壳灰制高纯二氧化硅的研究[J].粮食与饲料工业,2001(6):8-9.

[5] 姜小萍.探讨正交试验法制备硅酸钠的工艺[J].山西化工,2016(5)：28-30,34.

[6] 杨 柳.稻壳灰中二氧化硅的利用[D]. 长春:吉林大学,2015.

(本文文献格式：张梦娟,孔丹,陈秋宇,等.稻壳灰制取水玻璃工艺研究[J].山东化工，2018，47(02)：25-26，29.)