白炭黑是极其重要的高科技超微细无机新材料之一，不仅在日常生活生产中具有广泛的用途，且在众多学科及其他领域内独具特性，有着不可取代的作用，因此白炭黑的研究和开发具有重要的现实意义。黄磷炉渣是电炉法生产黄磷的固体废弃物，随着磷工业的发展，中国黄磷企业实际年产出黄磷炉渣600万-750万t。目前，黄磷炉渣主要用于生产硅钙肥、水泥、砖等，利用率低，产品价值低。目前在黄磷炉渣制备化工产品方面，科研工作者做了许多相关研究工作。黄磷炉渣的主要成分为硅酸钙，笔者采用磷酸浸取黄磷炉渣，以磷酸二氢钙的形式分离钙后，浸取渣经精制可直接得到白度值较好，颗粒粒径小的白炭黑。此方法不仅提高了黄磷炉渣的利用价值，减少了其对环境的污染，而且大大降低了工业生产白炭黑的成本，节约资源。
1 实验方法
1.1 黄磷炉渣基本性质测试
黄磷炉渣取自四川绵竹，其化学成分包括SiO2，CaO，Fe2O3，Al2O3，MgO，P2O5，F，质量分数分别为：42.92%，46.7%，0.88%，3.75%，1.93%，1.84%，1.98%。通过X射线衍射测试黄磷炉渣的咸分、矿物组成等。黄磷炉渣的X射线衍射图见图1。由图1知，黄磷炉渣主要由非晶态物质构成。
1.2 白炭黑的制备
以黄磷炉渣（已超细加工）与磷酸为原料，以表面活性剂正丁醇为调节剂，选择不同反应温度、磷酸浓度、调节剂用量，进行实验确立制备白炭黑的最佳条件。
1.3 白炭黑产品检测
采用日本理学公司生产的D/max-ⅢA型全自动X射线衍射仪对白炭黑样品进行物相分析；采用英国Leica Cambridge LTD公司S440型扫描电镜观察样品的微观形貌；采用日本岛津公司IR-2000型傅里叶变换红外光谱仪对样品进行红外光谱(F-IR)分析；采用瑞士METTLER TOLEDO公司生产的TGA/SDTA851e型热重/差热同步分析仪对样品进行热分析。
2 结果与讨论
2.1 白炭黑的白度分析
图2为不同反应温度(a)、磷酸浓度(b)、调节剂用量(c)对所制备的白炭黑样品白度的影响。由图2a可知：随着反应温度从50℃增加到90℃，白炭黑产品的白度也逐渐增大，由55%增大到67%。这是因为在一定温度范围内，反应温度越高，炉渣与磷酸的反应进行得越完全，灰色的微颗粒残渣就越少，因此白度越大。由图2b可知：随着磷酸质量分数从30%增大到70%，白炭黑产品的白度也逐渐增大，由50%增大到65%。这是由于磷酸是中强酸，酸度比常用于制备白炭黑的盐酸小很多，因而磷酸浓度越高，其与炉渣的反应进行得越完全，灰色的微颗粒残渣就越少，因此白炭黑产品的白度就越大。由图2c可知：正丁醇用量对白炭黑白度的影响，在用量小于3滴前，产品白度随正丁醇用量的增大由54%增大到67%；当用量为4滴时，白炭黑白度减小到65%。
综上所述，在反应温度为90℃、磷酸质量分数为70%、正丁醇用量为3滴的条件下得到白炭黑的最大白度值为67%。
2.2 白炭黑的产率分析
图3是反应温度(a)、磷酸浓度(b)、正丁醇用量(c)对白炭黑样品产率的影响。由图3a可知：随着反应温度从50℃增加到90℃，产品的产率也由53%逐渐增大到63%。由图3b可知：随着磷酸质量分数从30%增大到70%，产品的产率也由51%逐渐增大到63%。由图3c可知：正丁醇用量对白炭黑白度的影响，在用量小于3滴前，产品白度随正丁醇用量的增大由54%增大到63%，当用量为4滴时，白炭黑白度减小到60%。
综上所述，在反应温度为90℃、磷酸质量分数为70%、正丁醇用量为3滴的条件下，得到白炭黑的最大产率为63%。
2.3 白炭黑的精制
采用稀硝酸处理粗制白炭黑样品，脱除杂质元素铁，得到合格的白炭黑产品。在烧杯中加入50mL硝酸，用水稀释至60mL，升温至20-70℃后，在不断搅拌下加入粗制白炭黑样品，并保温反应30min-3h，然后过滤，洗涤至中性，干燥，800℃锻烧1h，取出冷却，研细得白炭黑产品。
图4为硝酸浓度(a)、反应时间(b)、反应温度(c)对白炭黑白度的影响。从图4a可以看到，当硝酸质量分数由5%增加到10%时，精制样品白度由87.2%增加到91%，继续增加硝酸质量分数至30%时，精制样品白度已基本不变，基本维持在91%左右。从图4b可以看到，随着反应时间的增加，精制样品的白度变化很明显。当反应时间为0.5h时，精制样品的白度仅达到83.2%；反应时间延长至1.0h时，样品白度提高到86.7%；当反应时间增加到3.0h时，样品白度可达到91.4%。从图4c可以看出，反应温度对样品的白度影响很大，随着反应温度的升高，样品白度明显提高。当反应温度为20℃时，样品白度为81.2%；反应温度提高到70℃时，样品的白度提高到90.5%。
实验结果表明，由黄磷炉渣经酸浸出得到的粗制白炭黑，可采用硝酸溶液进行精制，产品白度达到90%以上。
2.4 白炭黑产品的表征
图5为白炭黑产品的表征结果（a-XRD谱图；b-SEM图；c-红外光谱图；d-综合热分析图）。由图Sa看出，未出现尖锐的晶体衍射峰，而只在衍射角为15-300出现馒头型的非晶峰，不含其他结晶相，所以产品为无定型非晶体结构。由图5b看出，所得到的产品为不规则颗粒，粒径为40-50nm。由图5c看出，在1107.06cm-1处出现最大吸收峰，为Si-O-Si键的反对称伸缩振动；在802.33cm-1处出现Si-O-Si键的对称伸缩振动；在468.67cm-1处出现Si-O-Si键的弯曲振动；在1635.52cm-1处出现的较弱吸收峰代表H-OH的弯曲振动，估计是由于SiO2在空气中放置后，表面吸附少量水引起的。值得注意的是，在963cm-1附近出现极弱的吸收峰，是Si-OH的弯曲振动吸收，由于经过高温烧结，Si-OH脱水成Si-O-Si，因此在红外谱图中几乎看不到明显的Si-OH吸收峰。上述红外谱图与二氧化硅标准谱图基本一致。由图5d看出，在100℃左右白炭黑开始失重，质量损失在25%左右。产品中含有1个水分子，与化学计算的质量损失吻合。在100℃区域有一个较大的吸热峰，是结构水的脱出过程，在950℃存在另一个相变过程，可能是a-石英向β-石英转变的过程。
3 结论
以黄磷炉渣为原料，采用磷酸浸取并加入适量正丁醇作调节剂，以磷酸二氢钙的形式分离出钙，浸取渣经过硝酸精制、洗涤、干燥可得到高纯白炭黑产品。实验结果表明，当反应温度为90℃、磷酸质量分数为70%、调节剂用量为3滴的条件下，白炭黑产品的白度和产率均为最大值，分别为67%和63%，白炭黑颗粒的平均粒径为40-50nm。
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