消化工藝參數(shù)對氫氧化鈣粒徑的影響

消化工藝參數(shù)對氫氧化鈣粒徑的影響邱金鋒;王建【摘要】研究了消化反應(yīng)中各工藝參數(shù)對消化后氫氧化鈣及苛化后碳酸鈣粒徑的影響.實驗結(jié)果表明，消化工藝參數(shù)對消化反應(yīng)生成的氫氧化鈣的粒徑有不同程度的影響，影響程度高低順序依次為消化水溫度、生石灰固含量、攪拌轉(zhuǎn)速;當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速350r/min、消化水溫度90°C、生石灰固含量10%時,消化反應(yīng)后所得氫氧化鈣的粒徑最小.隨生石灰粒徑減小，其消化速率明顯提高，且最終溫度和消化轉(zhuǎn)化率也隨之提高.氫氧化鈣粒徑逐漸減小的同時，苛化后碳酸鈣粒徑也逐漸減小，粒徑分布逐漸變窄，苛化率提高，且苛化后碳酸鈣平均粒徑大于氫氧化鈣平均粒徑.【期刊名稱】《中國造紙學(xué)報》【年(卷)，期】2014(000)004【總頁數(shù)】5頁(P35-39)【關(guān)鍵詞】消化;氫氧化鈣;碳酸鈣;粒徑【作者】邱金鋒;王建【作者單位】陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安,710021;陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安,710021;陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安710021【正文語種】中文【中圖分類】X793生石灰是制漿造紙廠苛化工段的主要原料之一。在消化反應(yīng)中，生石灰首先與水生成中間產(chǎn)物氫氧化鈣，氫氧化鈣再與碳酸鈉發(fā)生苛化反應(yīng)生成碳酸鈣和氫氧化鈉，氫氧化鈉作為白液再用于蒸煮而碳酸鈣（堿回收白泥）經(jīng)研磨后可作為填料用于造紙。生石灰不僅對白液的品質(zhì)控制起至關(guān)重要的作用，同時也對堿回收白泥的回用有不可忽視的影響［1］。為了提高堿回收白泥作為填料的加填性能，國內(nèi)已經(jīng)展開了許多關(guān)于消化過程控制的研究。王曉龍等［2］研究了生石灰對白泥基本性能的影響，發(fā)現(xiàn)其對白泥平均粒徑影響明顯。岳挺等［3］研究了生石灰加入量對苛化工藝的影響，只有消化效果好,苛化才能獲得充分的物質(zhì)基礎(chǔ)，其中最重要的因素就是生石灰的品質(zhì)和加入量。周林［4］研究認(rèn)為，生石灰質(zhì)量是影響苛化反應(yīng)最重要的因素。王進(jìn)等［5］探討了消化反應(yīng)和苛化反應(yīng)的影響因素，以改善堿回收白泥的粒徑分布，并通過控制反應(yīng)來降低細(xì)小組分含量。由于生石灰是天然礦物質(zhì)，雜質(zhì)較多，且產(chǎn)地不同的生石灰的組分含量也不相同，其對堿回收白泥碳酸鈣粒徑控制的影響并不清晰［6］。因此，對消化過程進(jìn)行分析及弄清消化反應(yīng)生成的氫氧化鈣的主要性能對苛化碳酸鈣性能的影響很有必要。本實驗從消化反應(yīng)出發(fā)，探討消化反應(yīng)主要工藝參數(shù)對生成的氫氧化鈣以及苛化反應(yīng)后所得碳酸鈣粒徑的影響,從而實現(xiàn)對白泥精制碳酸鈣粒徑的控制，完善堿回收白泥精制工藝。1實驗1.1原料及主要儀器設(shè)備工業(yè)生石灰（取自陜西某廠），綠液（取自四川某廠），BT-9300H激光粒徑分析儀（丹東市百特儀器有限公司）,SHQM-2L研磨機(jī)，數(shù)顯攪拌器（北京科偉儀器有限公司）。1.2實驗方法（1）直接消化及苛化反應(yīng)。在500mL三口燒瓶中加入一定量過篩后的工業(yè)生石灰，再加入定量的熱水進(jìn)行消化反應(yīng)。在一定溫度下反應(yīng)一段時間后，取一定量的氫氧化鈣溶液進(jìn)行檢測。向剩下的溶液中加入一定量的綠液(主要為碳酸鈉)進(jìn)行苛化反應(yīng)(2h)。反應(yīng)完成后，將苛化產(chǎn)物過濾洗滌至pH值為9.3左右，靜置備用。(2)經(jīng)過過篩、研磨的消化、苛化反應(yīng)。通過不同目數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)篩得到粒徑不同的生石灰,在保溫情況下，將其分別加入到一定量的熱水中進(jìn)行消化反應(yīng)，一定溫度下反應(yīng)一段時間后，取部分生成的氫氧化鈣溶液進(jìn)行粒徑檢測。剩下的溶液經(jīng)研磨機(jī)研磨后，取部分溶液進(jìn)行粒徑檢測。然后進(jìn)行苛化反應(yīng)2h,將產(chǎn)物過濾洗滌并測定粒徑。1.3氫氧化鈣及碳酸鈣粒徑的測定取一定量的氫氧化鈣或碳酸鈣懸浮液，稀釋至一定固含量后在激光粒徑分析儀中測定其粒徑及粒徑分布。2結(jié)果與討論2.1消化及苛化反應(yīng)原理堿回收苛化工段主要有消化反應(yīng)和苛化反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)原理如下。消化反應(yīng)：CaO+H2O=Ca(OH)2苛化反應(yīng)：Ca(OH)2+Na2CO3=CaCO3l+2NaOH2.2消化反應(yīng)中相關(guān)因素的正交實驗分析對消化反應(yīng)的攪拌轉(zhuǎn)速、消化水溫度和生石灰固含量進(jìn)行了正交實驗，探討這些因素對氫氧化鈣平均粒徑的影響，結(jié)果見表1。表1各因素對消化反應(yīng)所得氫氧化鈣粒徑的影響序號消化水溫度/1生石灰固含量/%攪拌轉(zhuǎn)速/r-min-1平均粒徑/|jm1601015010.04260152509.65360203509.87460254508.64570102509.076701515010.03770204509.74870253509.16980103507.821080154508.311180201509.081280252509.061390104507.691490153506.921590202509.261690251507.94K1平均9.5508.6559.272K2平均9.5008.7279.260K3平均8.5679.4878.443K4平均7.9528.7008.595R1.5970.8320.829實驗結(jié)果及極差分析（見表1）結(jié)果表明，影響氫氧化鈣粒徑的主要因素順序為消化水溫度＞生石灰固含量〉攪拌轉(zhuǎn)速。當(dāng)消化水溫度90°C、生石灰固含量10%、攪拌轉(zhuǎn)速350r/min時，反應(yīng)得到的氫氧化鈣粒徑最小，平均粒徑為6.33pmo2.3消化條件對氫氧化鈣粒徑的影響2.3.1消化水溫度消化水溫度對氫氧化鈣粒徑的影響見圖1。由圖1可知消化水溫度較低時，生成的氫氧化鈣粒徑較大；隨消化水溫度升高,粒徑逐漸變小。消化水溫度較低時，消化反應(yīng)速率較慢，影響消化反應(yīng)的成核和結(jié)晶生長速率；當(dāng)消化不完全時，易產(chǎn)生氫氧化鈣包裹氧化鈣的現(xiàn)象，使生成的氫氧化鈣粒徑較大。消化水溫度較高時，消化反應(yīng)較為充分[7],且消化所得氫氧化鈣顆粒細(xì)膩均勻、粒徑較??；若消化水溫度過高，會引起暴沸，易造成安全事故。圖1消化水溫度對氫氧化鈣平均粒徑的影響2.3.2生石灰固含量生石灰固含量對氫氧化鈣粒徑的影響見圖2。由圖2可知，隨生石灰固含量的增加，消化反應(yīng)后生成的氫氧化鈣的粒徑先逐漸增大，后逐漸減小。這是由于生石灰固含量增加時，系統(tǒng)內(nèi)放熱反應(yīng)使水分大量蒸發(fā)，系統(tǒng)內(nèi)部顆?；旌喜痪鶆?，嚴(yán)重影響了氫氧化鈣成核和結(jié)晶生長過程，生成氫氧化鈣顆粒較大。而一段時間后,其粒徑變小。這可能是由于氫氧化鈣本身微溶于水，隨生石灰固含量的增加,水分逐漸降低。溶液中瞬間生成的氫氧化鈣粒子數(shù)量相對較多，它們之間存在相互作用力,并保持一定的距離，極大地制約了顆粒的生長[8],從而使其粒徑變小。生石灰固含量過低時，消化速度慢,且苛化反應(yīng)后回收的NaOH濃度過低；生石灰固含量過高時，其溶液黏度較大,影響消化反應(yīng)的正常進(jìn)行。圖2生石灰固含量對氫氧化鈣平均粒徑的影響2.3.3攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速對氫氧化鈣粒徑的影響見圖3。由圖3可以看出，隨攪拌轉(zhuǎn)速的提高，消化反應(yīng)生成的氫氧化鈣的粒徑先逐漸減小，后略微增大。消化反應(yīng)過程中，攪拌使整個體系處于一個有序的層流狀態(tài),生成的氫氧化鈣晶核處于一個有序的圓周運動中，粒子間易保持一定的距離，減少了氫氧化鈣晶核間的碰撞幾率，進(jìn)一步減弱了晶核間的聚集，使粒徑減小。隨攪拌轉(zhuǎn)速的提高，這種有序的運動狀態(tài)變得更加劇烈，粒子間距縮小到一定程度后基本不變，從而使粒徑進(jìn)一步減小。隨攪拌轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高,生成的氫氧化鈣粒徑卻逐漸增大，這可能由于隨攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高,顆粒的活躍度加大，使體系內(nèi)的流動速率提高，打亂了原來有序的層流狀態(tài)，進(jìn)入無序的湍流狀態(tài)，這種狀態(tài)使氫氧化鈣晶核間碰撞幾率增加，晶核的聚集程度增強(qiáng)［9］,因此，攪拌轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時，氫氧化鈣粒徑反而變大。圖3攪拌轉(zhuǎn)速對氫氧化鈣平均粒徑的影響2.4生石灰粒徑對消化反應(yīng)的影響在消化水溫度26°C、水與生石灰質(zhì)量比4:1條件下，將生石灰加入到水中反應(yīng)開始為起始點（零點），隨反應(yīng)時間延長，體系溫度不斷升高，直至反應(yīng)溫度不再升高時，所用時間為總消化反應(yīng)時間，此時的溫度為最終溫度。圖4為消化過程中生石灰粒徑對消化過程的影響。生石灰粒徑為0.30-0.45mm時，總消化反應(yīng)時間為1202s;生石灰粒徑為0.15-0.30mm時，總消化反應(yīng)時間為855s,縮短了28.9%。這表明隨生石灰粒徑的減小,消化速率明顯提高且最終溫度也隨之提高（見表2）。生石灰粒徑減小，不僅可以提高消化速率，也可加快消化反應(yīng)進(jìn)程。由于粒徑越小，生石灰的接觸面積越大,體系中反應(yīng)物顆粒數(shù)量增加，擴(kuò)散速率也隨之提高，同時因為消化反應(yīng)是放熱反應(yīng),粒徑小的生石灰在相同時間內(nèi)會放出更多的熱量，使溶液溫度迅速升高［10］。另一方面,放熱過程也會抑制消化反應(yīng)的正常進(jìn)行,而此時升溫影響不占主導(dǎo)地位，即較高的溫度不僅提高消化速率，而且促進(jìn)產(chǎn)物的擴(kuò)散，加快生石灰的消化進(jìn)程，并使溶液的過飽和度相應(yīng)增加，加快氫氧化鈣成核速率，降低晶核的生長速率，獲得高分散性的氫氧化鈣溶液。表2生石灰粒徑對消化反應(yīng)的影響生石灰粒徑/mm總消化反應(yīng)時間/s最終溫度/°C<0.15605410.15~0.30855390.30~0.45120237圖4生石灰粒徑對消化反應(yīng)過程的影響2.5消化反應(yīng)后的研磨時間對氫氧化鈣粒徑的影響采用研磨機(jī)對消化反應(yīng)后生成的氫氧化鈣進(jìn)行研磨，研磨過程及原料生石灰過篩對氫氧化鈣粒徑的影響見圖5。由圖5可知，隨研磨時間延長,氫氧化鈣粒徑逐漸減小，粒徑小于2pm的粒子含量明顯提高，而且粒徑分布寬度逐漸變窄。這是由于在外界作用力下，氫氧化鈣顆粒間不斷重復(fù)碰撞、揉搓和摩擦，直至形態(tài)發(fā)生變化，整體粒徑減小。同時，經(jīng)過過篩的原料生石灰顆粒粒徑越小，生成的氫氧化鈣粒徑越小。另外，消化反應(yīng)是多相反應(yīng)，反應(yīng)速度易受擴(kuò)散的影響，且氫氧化鈣溶解度較低,反應(yīng)一段時間后，反應(yīng)速度會減慢。同時，體系中存在少量未反應(yīng)的生石灰的表面會被氫氧化鈣覆蓋。在研磨過程中，這些氧化鈣顆粒不斷地從復(fù)合體中釋放出來［11］,并進(jìn)一步參與到消化反應(yīng)中,使生成的氫氧化鈣粒徑相對較小。圖5研磨時間和過篩對氫氧化鈣平均粒徑的影響2.6研磨后氫氧化鈣粒徑對苛化后碳酸鈣粒徑的影響生石灰粒徑較小時消化進(jìn)程較快，且對苛化后碳酸鈣粒子的結(jié)晶和形貌控制有重要作用。將消化反應(yīng)所得氫氧化鈣研磨并過篩（60目篩）后，加入綠液進(jìn)行苛化反應(yīng)生成碳酸鈣，進(jìn)一步研究研磨時間對苛化后碳酸鈣粒徑的影響。圖6為氫氧化鈣研磨時間對苛化后碳酸鈣粒徑的影響。結(jié)合圖5和圖6可知，在相同研磨時間內(nèi)，隨氫氧化鈣粒徑變小，苛化后碳酸鈣粒徑也逐漸變小。當(dāng)氫氧化鈣粒徑較小時,其比表面積相對較大，在溶液中更易溶解，成核速度加快,生長速度減慢，同時體系中釋放的Ca2+在氫氧化鈣粒子周圍與反應(yīng)生成碳酸鈣，出現(xiàn)碳酸鈣包裹氫氧化鈣現(xiàn)象的幾率降低［12］。這也將強(qiáng)化苛化反應(yīng)進(jìn)程，使生成的碳酸鈣粒徑變小，且過篩分級的氫氧化鈣要優(yōu)于未過篩氫氧化鈣。另外，碳酸鈣平均粒徑大于氫氧化鈣平均粒徑,這可能與固相氫氧化鈣本身密度小、表面積大和空隙率高等因素有關(guān)，且其空隙中的與Ca2+不斷發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氫氧化鈣不斷被溶解，進(jìn)而補(bǔ)充體系中損失的Ca2+,促使苛化反應(yīng)朝正向進(jìn)行，并打亂了其特有的蓬松狀態(tài)，進(jìn)而在原有基礎(chǔ)上形成致密的固相碳酸鈣結(jié)構(gòu)［13］。2.7研磨后氫氧化鈣粒徑對苛化率的影響圖7為研磨后氫氧化鈣粒徑對苛化反應(yīng)苛化率的影響。圖7表明，隨氫氧化鈣粒徑逐漸減小，苛化率逐漸增大。小粒徑氫氧化鈣的比表面積相對較大，在溶液中更易溶解，釋放出的Ca2+與氫氧化鈣周圍的發(fā)生反應(yīng)，使碳酸鈣〃包裹”現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率大為降低，也為接下來的苛化反應(yīng)提供更多的物質(zhì)基礎(chǔ),生成更多的氫氧化鈉，即苛化率逐漸增大。圖6研磨時間對苛化后碳酸鈣平均粒徑的影響圖7氫氧化鈣平均粒徑對苛化率的影響3結(jié)論研究了消化反應(yīng)中各工藝參數(shù)對消化后氫氧化鈣粒徑以及苛化后碳酸鈣粒徑的影響。3.1消化工藝參數(shù)對氫氧化鈣粒徑具有不同程度的影響,對粒徑影響程度按照高低順序依次為消化水溫度、生石灰固含量、攪拌轉(zhuǎn)速；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速350r/min、消化水溫度90OC、生石灰固含量10%時，消化反應(yīng)所得氫氧化鈣的粒徑最小。3.2隨原料生石灰粒徑不斷減小消化反應(yīng)的消化速率明顯提高，且最終溫度和消化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率也隨之提高。3.3苛化反應(yīng)中，隨氫氧化鈣粒徑逐漸減小，苛化后碳酸鈣粒徑也逐漸變小，粒徑分布寬度逐漸變窄，苛化率增大，苛化后碳酸鈣平均粒徑大于氫氧化鈣平均粒徑。參考文獻(xiàn)［1］孫文徹底治療白色污染［J］.中國科技財富,2010(23):48.王曉龍，王建,王志杰.生石灰對堿回收白泥物性影響[J].紙和造紙,2011(11):45.岳挺,李茜,王孟效.生石灰加入量對苛化工藝的影響及其控制[J].西南造紙，2006(5):33.周林生石灰質(zhì)量對苛化工藝的影響[J].紙和造紙,2003(6):88.王進(jìn)，危鵬，陳金山，等.改善堿回收白泥粒徑分布的研究[J].天津科技大學(xué)學(xué)報,2013(4):24.王桂林.堿回收白泥精制填料碳酸鈣的生產(chǎn)實踐[J].中華紙業(yè),2008,29(2):55.蔣凌云,楊振祥，章蘇,等.造紙專用片狀沉淀碳酸鈣的制備[J].無機(jī)鹽工業(yè)，2004(2):41.陳吉濤,干路平,李春忠.U-PVC型材專用低吸油值納米碳酸鈣制備[J].非金屬礦,2005(5):17.李鳳華，樊友,王鳳娟，等.聚合反應(yīng)中攪拌狀況對聚合物粒徑大小的影響[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),2005(1):36.鐘偉飛，吳忠標(biāo).生石灰消化工藝的研究與優(yōu)化[J].環(huán)境污染與防治,2004,26(6):424.杜玉成,侯瑞琴,史樹麗，等.高比表面超細(xì)Ca(OH)2粉體制備與表征[J].中國粉體