生物基白炭黑制备技术规范

1生物基白炭黑制备技术规范本文件规定了以稻壳、稻壳灰、秸秆等富含活性二氧化硅的生物质为原料制备的生物基白炭黑的技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输与贮存。本文件适用于以生物质原料通过化学沉淀法、气相法等工艺制备的生物基白炭黑。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T10722炭黑总表面积和外表面积的测定氮吸附法HG/T2404橡胶配合剂沉淀水合二氧化硅在丁苯橡胶中的鉴定HG/T3062橡胶配合剂沉淀水合二氧化硅二氧化硅含量的测定HG/T3065橡胶配合剂沉淀水合二氧化硅加热减量的测定HG/T3067橡胶配合剂沉淀水合二氧化硅水悬浮液pH值的测定HG/T3072橡胶配合剂沉淀水合二氧化硅吸油值的测定3术语和定义本文件没有需要界定的术语和定义。4制备工艺4.1基本工艺流程生物基白炭黑的制备工艺流程主要包括：原料预处理、溶解反应、过滤、合成反应、洗涤、脱水、干燥、粉碎与包装。企业可根据原料特性及产品需求，调整或优化具体工序。4.2原料与预处理4.2.1原料制备生物基白炭黑的主要原料应为富含活性无定形二氧化硅的生物质原料，如：农业废弃物及其加工产物得到的稻壳、稻壳灰（RHA）、秸秆、秸秆灰等。原料应洁净，无霉变、无大量泥沙等异物混杂。4.2.2预处理预处理应按下列规定执行：a)清洗：对生物质原料（如稻壳）可进行水洗，以去除附着的水溶性杂质和尘土。洗涤用水宜采用循环水，最终洗涤排水pH值应接近中性；b)干燥：清洗后的湿原料应进行干燥，干燥温度宜控制在不高于120℃,防止有机组分过早碳化；c)高温热解/碳化：为获得富含活性二氧化硅的原料，需对生物质进行高温热解/碳化以去除有机物。宜采用可控温度的热解炉或焚烧炉，稻壳的高温热解/碳化温度建议控制在550℃~650℃之间，以获得富含高比表面积、高活性的无定形二氧化硅。应避免温度超过800℃导致二氧化硅晶化，导致反应活性降低；2d)粉碎与筛分：高温热解/碳化后的生物质灰渣等需经粉碎、筛分，以得到粒度均匀的活性二氧化硅粉末。建议过80目（180μm）标准筛，筛余物应小于5%。4.3溶解反应-硅酸钠溶液制备4.3.1碱种类宜采用氢氧化钠（NaOH）或碳酸钠（Na2CO3）。4.3.2工艺条件工艺条件应按下列规定执行：a)常压碱溶法：将预处理得到的活性二氧化硅粉末与质量浓度为10%～30%的液碱按1:3～1:6固液比混合。在常压、95℃±5℃加热条件下反应2h～6h，并持续搅拌，直至SiO2溶解率不再显著增加；b)加压碱溶法：为提高SiO2溶解率和溶解速度，可采用加压反应釜。反应温度可提高至150℃~180℃,压力相应为0.4MPa～1.0MPa，反应时间可缩短至1h～3h；c)终点判断：反应终点可通过检测反应液中二氧化硅浓度不再升高，或观察原料残渣形态变化来确定。4.4过滤过滤应按下列规定执行：a)浆料经溶解反应后进行固液分离，以去除未反应的碳渣及其他不溶杂质；b)可采用板框压滤机、真空抽滤系统或离心机；c)应获得澄清透明的硅酸钠溶液。建议过滤精度达到100μm以下。可根据需要采用多级过滤或添加助滤剂（如硅藻土）以提高滤液质量。4.5合成反应-白炭黑生成4.5.1酸化剂宜采用硫酸（H2SO4）、盐酸（HCl）或二氧化碳（CO2）。使用硫酸或盐酸时应预先稀释至质量浓度10%～20%。4.5.2工艺控制合成反应在带搅拌和加热功能的反应釜中进行。控制要点如下：a)加酸速度：宜采用缓慢滴加或程序控制加酸的方式，避免局部过酸导致合成反应结构致密。加酸时间通常控制在1h～4h；b)反应温度：30℃~50℃低温利于生成高比表面积产品；80℃~90℃高温利于生成大粒径、低比表面积产品；c)pH值控制：反应终点pH值是决定产品性质的关键参数。不同应用领域对产品pH要求不同，反应终点pH值一般控制在7.0～10.0范围内。可通过在线pH计实时监测并联动加酸系统；d)搅拌速度：应保持足够且均匀的搅拌速度，确保反应体系浓度和温度均匀，避免结块。建议搅拌线速度在2m/s～5m/s范围内；e)陈化：合成反应完成后，宜将浆料在特定温度下保温陈化0.5h～2.0h，以使生成的SiO2粒子结构稳定和生长完整。4.6洗涤与脱水4.6.1洗涤洗涤应按下列规定执行：a)合成反应得到的白炭黑浆料中含有大量可溶性盐（如Na2SO4或NaCl），必须充分洗涤至合格；b)洗涤方式：可采用倾析法、板框压滤机水洗或带洗涤功能的真空过滤机；c)终点判断：以洗涤排水的电导率作为判断标准。建议洗涤至排水电导率低于1500μS/cm。当使用HCl时，也可用硝酸银溶液检测氯离子（Cl-）至无白色沉淀产生。34.6.2脱水脱水应按下列规定执行：a)洗涤后的浆料需脱水形成滤饼；b)设备：宜采用板框压滤机、隔膜压滤机或离心机；c)要求：脱水后滤饼的固含量宜不低于21%。4.7干燥4.7.1干燥干燥应按下列规定执行：a)喷雾干燥：适用于大批量、高品质产品生产。能将浆料直接干燥成中空微球状粉末，产品流动性好、分散性高。进口温度控制在350℃以上，出口温度控制在100℃~120℃;b)烘箱干燥：适用于小批量或试验性生产。干燥温度应阶梯式上升，避免表面结壳，建议最终干燥温度不高于120℃;c)带式干燥或旋转闪蒸干燥：适用于滤饼的连续化干燥；d)无论采用何种方式，均应控制热风温度和时间，防止二氧化硅表面羟基过多流失（过高温度）或产品烧焦（局部过热）。4.8粉碎与包装4.8.1粉碎粉碎应按下列规定执行：a)干燥后的物料可能存在部分团聚，需经机械粉碎以达到规定细度；b)设备：可采用气流粉碎机、机械粉碎机等。4.8.2包装产品应立即采用防潮包装密封。内袋为塑料薄膜袋，外袋为塑料编织袋或纸塑复合袋。包装环境应保持干燥。5质量控制5.1外观外观应为白色粉末。5.2理化性能指标理化性能指标应符合表1的规定。表1理化性能指标%m/g%/5.3形态和分散性根据HG/T2404的规定将试样配入橡胶，产生的未硫化混炼胶中二氧化硅应分散良好、无明显的团块且没有未分散开的二氧化硅。6试验方法6.1外观外观可在自然光或等效光源下使用目视法检查。6.2二氧化硅含量试验方法应按HG/T3062的规定执行。6.3