配置碳酸鉀對(duì)炭黑吸油值控制的影響研究

王天樂　趙文雅　雷震　張洪森

摘要：炭黑吸油值是表征其結(jié)構(gòu)狀態(tài)的重要指標(biāo)數(shù)據(jù)，直接影響炭黑的應(yīng)用。炭黑生產(chǎn)中，往往通過碳酸鉀溶液控制吸油值，配置碳酸鉀的濃度準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本文對(duì)配置碳酸鉀過程中的影響因素進(jìn)行分析，以便更好的保證炭黑生產(chǎn)中吸油值的控制。

關(guān)鍵詞：碳酸鉀配置;炭黑;吸油值

1引言

炭黑結(jié)構(gòu)是指炭黑基本粒子的聚集狀態(tài)，按照其狀態(tài)的不同，可以分為一次結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)。炭黑在制造過程中，相鄰粒子同時(shí)生產(chǎn)，粒子質(zhì)檢存在相互的鉸鏈作用，在此作用下形成特有的三維結(jié)構(gòu)，稱為一次結(jié)構(gòu)。炭黑在實(shí)際加工過程中，由于粒子之間會(huì)受到物理作用力，如范德華力、物理吸附等會(huì)出現(xiàn)松散的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)稱為二次結(jié)構(gòu)。炭黑結(jié)構(gòu)的高低通過炭黑的吸油值來進(jìn)行表征，吸油值是指單位炭黑粒子吸收油類物質(zhì)（鄰苯二甲酸二丁酯）的體積量。炭黑在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，基體會(huì)對(duì)炭黑的吸油值有明確的要求，為了降低炭黑的吸油值，往往通過添加金屬鹽的方式來實(shí)現(xiàn)，常用的金屬鹽為鈉鹽和鉀鹽，而鉀鹽的作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬鈉鹽。因此，降低炭黑吸油值采取添加鉀鹽的方式，如碳酸鉀、硝酸鉀等。

炭黑實(shí)際生產(chǎn)中，一般使用碳酸鉀來控制炭黑的吸油值。針對(duì)不同吸油值要求的炭黑，使用不同濃度的碳酸鉀溶液。碳酸鉀溶液的配置一般采用一用一備的模式，將稱好的添加劑溶解加入到溶解罐中，利用壓縮空氣送到添加劑灌中，再配以一定量的軟化水，混勻后方可進(jìn)行使用。本文對(duì)不同濃度的碳酸鉀溶液對(duì)炭黑吸油值的影響進(jìn)行分析探究，碳酸鉀的使用方式與生產(chǎn)低結(jié)構(gòu)的炭黑對(duì)反應(yīng)爐的影響進(jìn)行分析說明。

2實(shí)驗(yàn)原材料和主要設(shè)備

2.1 原材料

碳酸鉀及蒸餾水。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平、燒杯、溫度計(jì)、密度計(jì)、量筒及玻璃棒。

3實(shí)驗(yàn)過程及其結(jié)果

試樣的制備

配置各個(gè)質(zhì)量濃度的碳酸鉀溶液均在20℃的環(huán)境中進(jìn)行，利用電子天平稱取300g蒸餾水置于1-8號(hào)燒杯中，靜置10分鐘。按照設(shè)計(jì)好的質(zhì)量濃度進(jìn)行稱取相應(yīng)質(zhì)量的碳酸鉀，分別加入燒杯內(nèi)，利用玻璃棒將其溶解攪勻后，測(cè)試其密度數(shù)值。

分別進(jìn)行2次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳酸鉀溶液，根據(jù)表1的結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論體積與實(shí)際體積百分比與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值作圖，如圖1。

4結(jié)果分析

根據(jù)圖1的趨勢(shì)可以看出，碳酸鉀溶液的體積隨著碳酸鉀溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%時(shí)，體積變化率未呈現(xiàn)出快速變化的趨勢(shì)，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%，體積變化率開始明顯變化，此種變化在質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6%時(shí)表現(xiàn)更為明顯，此時(shí)其體積變化率開始高于2%。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，碳酸鉀的配置過程是利用電子天平稱取定量碳酸鉀，將其溶解在溶解罐內(nèi)，而后利用壓縮空氣將其送入添加劑罐，添加劑罐采取液位控制模式，即企業(yè)是把混合溶解的碳酸鉀溶液輸送到儲(chǔ)罐，然后把液位控制配置的碳酸鉀溶液的濃度（計(jì)量液位一般就按照水的重量進(jìn)行計(jì)量）。按照上述的配置實(shí)驗(yàn)可以看出，溶液最終的實(shí)際體積與標(biāo)準(zhǔn)體積之間存在偏差，如果按照標(biāo)準(zhǔn)體積方法配置碳酸鉀溶液，會(huì)導(dǎo)致碳酸鉀濃度與設(shè)計(jì)濃度之間存在偏差，此種偏差會(huì)隨著質(zhì)量濃度的大小而變化，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，體積差距也越大。如果實(shí)際生產(chǎn)過程，使用此種碳酸鉀溶液控制炭黑吸油值，必然會(huì)對(duì)最終的炭黑指標(biāo)產(chǎn)生影響，造成炭黑 DBP 控制的波動(dòng)，尤其在倒添加劑儲(chǔ)罐時(shí)候更加明顯。

另外，企業(yè)進(jìn)行碳酸鉀溶液配置時(shí)一般使用軟化水，工廠內(nèi)軟化水的溫度一般控制在50-80℃，在實(shí)際用水時(shí)，企業(yè)很少會(huì)對(duì)軟化水的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。通過水的三態(tài)熱力學(xué)數(shù)據(jù)可知，水的體積隨著水溫的變化而變化，水溫越高，體積越大，最終會(huì)變成氣態(tài)。另外，水溫降低，體積也就降低，但在4℃附近會(huì)存在一個(gè)平衡點(diǎn)，此時(shí)水的體積下降到一個(gè)最低值，隨即開始出現(xiàn)體積增大的情況。即，如果將水從0℃開始升溫，直至100℃，水的密度會(huì)出現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)，這是分子間的氫鍵和分子熱運(yùn)動(dòng)的共同作用的結(jié)果，如圖2所示。

企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，通過添加劑罐的液位來配置碳酸鉀的濃度，而并未對(duì)水溫進(jìn)行必要控制，溫度變化會(huì)造成水溶液體積變化，加入一定量的添加劑和一定液位的水溶液，配置成溶液后使用該溶液對(duì)炭黑 DBP 值控制，因溫度、溶液體積波動(dòng)造成溶液濃度的波動(dòng)，最終會(huì)造成炭黑 DBP 值的波動(dòng)。

在炭黑的實(shí)際生產(chǎn)中，N234、N220、N330、N375等吸油值控制在120以上的高結(jié)構(gòu)炭黑，使用低濃度的碳酸鉀溶液，因碳酸鉀的質(zhì)量濃度小，最終溶液的體積與標(biāo)準(zhǔn)體積變化小，所以按照體積計(jì)量配置的碳酸鉀控制吸油值還可以接受。但對(duì)于生產(chǎn)低結(jié)構(gòu)的炭黑產(chǎn)品N660、N774 使用碳酸鉀溶液作為添加劑，因濃度比較大，所以受到水的溫度、溶液體積的變化影響比較明顯，配置溶液濃度波動(dòng)比較大，使用該溶液時(shí)造成炭黑生產(chǎn)過程 DBP 控制波動(dòng)。另外，對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的炭黑產(chǎn)品，如N326，需要使用高濃度的碳酸鉀溶液，如果選擇接近碳酸鉀溶液溶解度下限，溶液達(dá)到飽和，可能會(huì)出現(xiàn)析出的風(fēng)險(xiǎn)，影響添加劑噴槍的正常噴料，高濃度的碳酸鉀如果噴掃到爐壁會(huì)對(duì)鉻剛玉的反應(yīng)爐造成嚴(yán)重?fù)p壞。一般情況認(rèn)為使用高溶解度的添加劑更為適宜。

5結(jié)語

配置碳酸鉀溶液時(shí)，需要對(duì)水溫進(jìn)行控制，以保證配置濃度的精確性，保證炭黑生產(chǎn)的吸油值指標(biāo)。另外，如果需要配置精度高的碳酸鉀溶液，最適宜的配置方法是重量計(jì)量。針對(duì)不同類型的炭黑產(chǎn)品，選擇合適的添加劑類型也至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)

[1]趙東志. 差壓法測(cè)量碳酸鉀溶液濃度[J]. 化工自動(dòng)化及儀表，1992（4）：48-49.