（中国粉体技术网/班建伟）我国是水稻生产大国，每年稻谷的产量约占全球的三分之一，统计局称，2012年全国稻谷产量20429万t｡每4t稻谷就会产生1t稻壳，稻壳经过燃烧以后，15%-30%最终转化成稻壳灰｡稻壳燃烧热值为12.6-16.8MJ/kg，每3kg的稻壳所产生的热量相当于1kg的燃料油或1.5kg的煤所产生的热量｡
稻壳一般用于燃烧产热或气化发电，稻壳经过燃烧或气化后会产生大量的稻壳灰，尽管稻壳灰有许多潜在的工业用途，但目前没有得到有效的利用，往往露天堆放，这不仅浪费了资源，而且污染了环境，还影响人们的身体健康｡由于稻壳灰的主要成分是硅和碳，近年来，相关学者利用稻壳灰来制备白炭黑，不仅废物得到了有效利用，还减少了对周边环境的污染，同时又能开发出具有经济价值的产品｡
１ 稻壳灰的结构与组成
稻壳灰的主要成分是无定形二氧化硅，分子式为SiO2·nH2O表示(其中nH20是以表面羟基的形式存在)，许多研究都集中在利用稻壳灰生产SiO2 ｡稻壳灰的主要化学成分如表1｡
 从表1知稻壳灰中重金属含量较少,是一种非常理想的制备白炭黑的原料｡Farooque等使用化学分析和仪器分析手段对稻壳灰进行了表征,化学分析表明:稻壳灰主要含有SiO2
和少量的无机氧化物：用X射线衍射分析(XRD)表明：稻壳灰中存在石英，方石英和鳞石英；扫描电子显微镜(SEM)的微观结构特征表明：稻壳灰颗粒是高度多孔的蜂窝结构；热分析表明：表面羟基的存在｡欧阳东等对600℃焚烧的稻壳灰纳米尺度的显微结构进行了SEM/TEM(SAD)研究，发现稻壳灰结构中除了以往报道过的微米尺度的蜂窝孔外，还含有大量由SiO2粒子非紧密粘聚而形成的纳米尺度孔隙(<50nm)｡
2 稻壳灰沉淀法制备白炭黑的研究现状
稻壳灰中含有大量的硅，且是无定形的，可用碱液在适当的条件下溶出｡利用稻壳灰可以生产多种SiO2产品｡
2.1 传统沉淀法
目前，传统沉淀法是我国生产白炭黑的主要方法｡该法是通过无机酸与水玻璃在一定的条件下反应生成沉淀，然后经过过滤､洗涤和干燥等工艺，最后制得白炭黑产品｡影响白炭黑产品性能的因素主要有：水玻璃浓度､反应温度､反应时间和溶液pH值等｡传统沉淀法不仅过程复杂，而且很容易发生硬团聚，难以得到性能稳定的高品质产品，因此传统沉淀法有待改进｡
2.1.1 硫酸沉淀法
硫酸沉淀法需经历两个步骤：(1)水玻璃与硫酸反应生成硅酸；(2)硅酸进一步转化成水合SiO2｡其反应式如式(1)､式(2)：
Na2SiO3+H2SO4→Na2SO4+H2SiO3 (1)
H2SiO3+(n-1)H2O→SiO2·nH2O (2)
硫酸沉淀法制备白炭黑的过程不复杂，但影响因素较多，如硫酸浓度、加酸方式、反应温度、溶液PＨ值等，目前，硫酸沉淀法制备白炭黑的主要工艺流程如图１所示。卫延安等对原料稻壳进行了筛选、酸洗、水洗，然后再与碱溶煮，H2SO4沉淀制得白炭黑，发现预处理能明显提高产品的质量；阮长青等以稻壳为原料，NaOH､H2SO4为活化剂，采用沉淀法对白炭黑的制备工艺进行了研究，主要考察了加酸速度和加酸方式对白炭黑的影响，得出间歇加酸比连续加酸的效果好；崔文雷等以废稻壳为原料，NaO溶解，分别采用HCl､H2SO4沉淀制得白炭黑，并考察了合成方法､反应温度､加料方式对产品质量的影响，得出用H2SO4比HCl的效果要好，最佳反应温度为85-95℃，间歇加酸比连续加酸效果要好｡
2.1.2 盐酸沉淀法mNa2O·nSiO2+2mHCl→2mNaCl+nSiO2·mH2O (3)
nSiO2·mH2O→(m-n)H2O+nSiO2·nH2O (4)
用该方法制备高活性的白炭黑，防止硅酸聚集生成硅凝胶是关键，为此必须严格控制体系的pH 值，应尽量选择凝胶点附近的pH值为最佳控制值，必要时加入适量的NaCl，以使SiO2原级粒子聚集成二次粒子沉淀下来，并加入适量的表面活性剂，改善产品的吸油值和其色泽亮度｡许莹等采用盐酸沉淀法制得了粒径小､品质好的纳米白炭黑｡
2.1.3 CO2沉淀法
CO2沉淀法的原理是利用CO2气体与水玻璃进行酸化反应，生成沉淀二氧化硅和碳酸钠，其工艺过程见图3｡整个反应体系存在气､液､固三相,因此其制备工艺和生成的SiO2的性质不同于一般的“液-液-固”反应体系｡其反应式见式(5)､式(6)､式(7):
主反应:Na2O·mSiO2+CO2+nH2O→mSiO2·nH2O+Na2CO3 (5)
SiO2·nH2O→SiO2·pH2O+(n-p)H2O (6)
副反应:Na2CO3+CO2+H2O→2NaHCO3 (7)
CO2沉淀法具有生产成本低，清洁无污染，产品性能稳定等优点，是一条全新的工艺路线,可充分利用工业含CO2的废气为原料，工业化生产高补强白炭黑产品｡由于碳酸很不稳定，所以CO2
沉淀法制备白炭黑的工艺过程不容易控制，工艺流程还有待完善｡Chattopadhyay等提出了一种新颖的方法，使用超临界CO2与硅酸钠水溶液发生反应制得纳米白炭黑｡
 3 稻壳灰制备白炭黑的应用
3.1 白炭黑在橡胶中的应用
沉淀法白炭黑主要被广泛用作橡胶补强材料，通常应用于小汽车、大卡车、拖拉机和自行车等的内外胎，还应用于皮带、胶鞋、胶板等橡胶制品。根据西德一家轮胎公司研究试验的结果：如果能增加10~20份的白炭黑，可以提高轮胎的胶接性能和抗撕裂性能，不仅延长了轮胎的使用寿命，而且增强了轮胎的抓地力，有利于行车安全。白炭黑具有良好的耐磨性、防滑性和鞋面粘着性，为胶鞋的发展起着重要的支撑作用。
3.2 白炭黑在涂料中的应用
近年来，中国涂料行业每年以5%-10%的速度在高速增长，正在迅速成为世界涂料生产和消费的第二大国｡然而,国内涂料在性能上普遍存在触变性差､悬浮稳定性差､耐候性差等缺陷，以致每年需从国外进口大量的高品质涂料｡沉淀法白炭黑的折射率为1.544，在涂料中可作为消光剂，原理是含有白炭黑消光剂的漆膜,均匀的分布于漆膜中的白炭黑粒子形成一种微粗糙面,当入射光到达凹凸不平的漆膜表面时,发生漫反射,即发生散射产生低光泽的亚光和消光外观｡目前国外SiO2消光剂的发展方向主要是大孔容､易分散及高透明性、低粉尘及表面处理。
3.3 白炭黑在牙膏中的应用
据统计，2010年我国牙膏总产量为80亿标准支，市场规模达到181亿元｡随着科学技术的不断发展，工艺装备的不断改进和完善，各种类型的牙膏相继问世，现在牙膏的品种已由单一的清洁型牙膏，发展成为品种齐全､功能多样的上百种品牌的牙膏，满足了不同消费层次人群的需要｡沉淀法白炭黑具有比表面积高､吸附能力强､性质稳定､无毒无害等优点，因此被广泛用作生产牙膏的原料｡
3.4 白炭黑在其它行业中的应用
白炭黑还应用于医药行业､农药､食品､饲料､化妆品､蓄电池等各种行业｡
4 展望
由于稻壳灰中含有大量的无定型SiO2，是制备白炭黑的良好原料，目前白炭黑产品经过多年的不断地发展和完善，已被广泛应用于橡胶､涂料､牙膏等行业｡传统方法制备白炭黑存在一些缺陷，如操作工艺繁琐､工艺条件难以控制，而且产生大量的工业废水｡Na2CO3沉淀法生产白炭黑，避免了传统制备工艺中大量运用强酸和强碱的弊端，在大规模工业生产中可以减少对设备的腐蚀，不仅如此，滤液的循环使用也减少了原料的消耗，从而降低了生产成本｡Na2CO3沉淀法生产白炭黑是一种高效､清洁､无污染的方法，在今后的实际生产中将具有良好的应用前景｡
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