原料油钾钠含量对生产高结构炭黑的影响及其监测方法(已解密)

1、炭黑原料油中钾钠含量对生产高结构炭黑的影响及其检测方法 刘江红 徐刚 （龙星化工股份有限公司）摘要 本文从理论和实践方面介绍了炭黑原料油中钾钠离子的含量多少对生产高结构炭黑如N234的DBP吸收值的影响，提供了一种生产高结构炭黑的原料控制方法，同时重点介绍了炭黑原料油中钾钠离子的测定方法。关键词 炭黑原料油 钾钠含量 DBP吸收值 原子吸收分光光度计众所周知，炭黑是以聚集体的形式存在的，而炭黑聚集体的形状是非常复杂的，这些就是炭黑的所谓结构。通常用DBP（邻苯二甲酸二丁酯）吸收值来表示炭黑结构的高低，结构越高，通常DBP吸收值也越高。在炭黑生成过程中，工艺上普遍采用碱金属盐如碳酸钾来控制DBP

2、吸收值，增加碳酸钾用量可以降低炭黑的DBP吸收值，反之降低碳酸钾用量可以提高炭黑的DBP吸收值。理论上认为，在炭黑生成过程中，这些碱金属离子能够提高炭黑微粒的电正性，由于同性相斥的作用，使炭黑初级粒子等微粒之间的碰撞频率降低，导致聚结体和聚集体的结构简单化，即DBP吸收值降低。 1. 碱金属盐控制炭黑DBP吸收值的原理为什么人们选择碱金属离子来抑制炭黑的结构呢？打开元素周期表，我们可以看出，周期表左下角的元素具有最低的电离能，综合价格因素，钾是最好的选择，也有实验采用铯离子来抑制炭黑结构，但从未工业化生产。根据原子的电离能数据我们知道，钾原子的电离能力大约是碳原子的100万倍，也就是说，在一百

3、万个碳原子中加入一个钾原子将使炭黑粒子的带正电荷数量翻倍，由于粒子间斥力与带电数量呈平方的关系，所以炭黑微粒的聚集明显受到抑制。表1是碱金属和碳原子的电离能比较。表1 不同化学元素的第一电子电离能元素原子的电离能KJ/mol Na K Rb Cs C498418 4023761088 2. 生产高结构炭黑所遇到的问题 原料油（主要指蒽油和煤焦油）由于制作工艺的原因，不同程度地还有钾钠离子，然而，对于生产高结构的产品如N234（DBP吸收值为125±5ml/100g）和N121（DBP吸收值为132±5ml/100g）等时，假如原料油本身就含有较大量的碱金属离子，将很难生产出

4、合格的产品，因为即使将碳酸钾的用量降到零，产品的DBP吸收值还是达不到标准要求，这样就出现了产品的DBP吸收值失控的局面。3. 生产高结构炭黑的原料油钾钠含量控制方法所以，在生产高结构炭黑时，要对产品的DBP吸收值进行有效地控制，不仅需要在反应过程中使用添加剂，而且需要对原料油中钾钠离子的含量进行检测和控制。使用钾钠离子含量低的原料油生产高结构产品，而钾钠离子含量高的原料油则可以用来生产低结构产品。我们研究了炭黑原料油中钾钠含量检测的方法以及根据检测结果对原料油进行分类，并分别使用不同钾钠含量的原料油应用于炭黑生产的实践中。本实验共分两个部分，第一是原料油的钾钠含量检测部分，第二是各个钾钠含量

5、级别的原料油分别进行生产实验及其结果部分。3.1 原料油钾钠含量检测部分本部分的任务是对原料油的钾钠含量进行检测，我们采用原子吸收分光光度计来进行此项工作，图1是该方法的工作原理。图1 原子吸收分光光度计的工作原理由于目前尚没有检测原料油中钾钠含量的国家标准或行业标准方法，我们根据自己的实验经验并结合原子吸收分光光度计的使用说明书，特制定以下方法。3.1.1 材料本实验所用材料包括：炭黑原料油、氯化铯（分析纯）、氯化钠（分析纯）、氯化钾（分析纯）、盐酸（分析纯）、蒸馏水、原子吸收分光光度计（SHIMADZUAA6300，见图2）、容量瓶（1000ml及100ml各若干）。图2 SHIMADZU

6、 AA6300 原子吸收分光光度计3.1.2 操作步骤：3.1.2.1准备：所用仪器均清洗干净且用蒸馏水清洗数次，若是新的玻璃仪器或塑料仪器，必须先用蒸馏水浸泡12小时以上方可使用，新的坩埚必须用盐酸煮沸5分钟以上，然后清洗干净，干燥。总之，仪器一定要慎用，以减小不必要的误差。铂金坩埚用蒸馏水冲洗干净，烘干，凉至室温，称重，精确至小数点后3位。3.1.2.2取油：将原料油放置入70-80烘箱中加热（若新取油则不必加热），小心控制温度不要使其过高，加热至形成流动性很好的液体（约10分钟），然后取出震荡使其均匀，然后向坩埚中倾倒约23g原料油（一般不宜太多，否则不易灰化）。称重，计算油重量，精确至

7、小数点后第3位。3.1.2.3灰化：然后将坩埚置电热炉上低电压加热，待坩埚中无液体存在时再加大电压直至无烟气冒出。然后将其置于600高温炉中并关闭炉门10分钟，防止大量烟雾冒出。然后再将炉门开一小缝，并设置炉温775。直至看不见黑色的炭为止，时间约半小时。取出，冷却。3.1.2.4制作标准曲线：钠： 分别吸取100ug/ml的钠标准液0.0、0.2、0.4、0.6、1.0ml于100ml容量瓶中各加入0.1%氯化铯1ml，1:1盐酸2.00ml，用纯化水定容至刻度，待用。此系列标准液中钠浓度分别为0（空白）、0.2、0.4、0.6、1.0ug/ml。钾：分别吸取100ug/ml的钾标准液0.0

8、、0.2、0.4、0.6、1.0ml于100ml容量瓶中各加入0.1%氯化铯1ml，1:1盐酸2.00ml，用纯化水定容至刻度，待用。此系列标准液中钠浓度分别为0（空白）、0.2、0.4、0.6、1.0ug/ml。然后分别按照仪器操作说明制作标准曲线，3.1.2.5测试样品：向铂金坩埚中转移2.00ml 1:1盐酸，小心震荡，并用蒸馏水冲稀，然后将该溶液过滤入100ml容量瓶中（容量瓶，漏斗，滤纸均先用去离子水冲洗4次），滤毕再用去离子水冲洗滤纸。然后向其中加入1.0ml 0.1氯化铯溶液，去离子水定容至100ml，震荡均匀，测定样品钾钠浓度。对于钾来说，因其含量较低，操作时每个样品测3次，取

9、平均值以减小误差。注意：操作中要小心，戴一次性手套，防止手上盐分流入样品中；同时也要注意不要面对着样品讲话，防止唾液溅入样品中影响结果。结果处理：钾钠含量（ppm）（钾钠浓度×100）/原料油重量。3.2 不同钾钠含量级别的原料油分别进行生产实验部分本部分的任务是，根据对原料油钾钠含量的检测结果对这些原料油进行分成A、B、C三类储存，并分别使用这三类原料油进行生产高结构炭黑N234的实验。其中，A类：钾钠含量较低（钾钠含量之和小于20个ppm）；B类：钾钠含量中（钾钠含量之和大于20个ppm小于40个ppm）；C类：钾钠含量高（钾钠含量之和大于40个ppm）。观察不同钾钠含量级别的原

10、料油生产高结构炭黑N234之间的区别。3.2.1装置、工艺条件和实验方法 使用2万吨/年硬质炭黑生产装置，分别采用相同的工艺条件，每种原料油生产时间为8小时，生产过程中每2小时对过程产品进行DBP吸收值的检测。 3.2.2 实验结果表2 不同钾钠含量的原料油试生产N234的结果序号原料油类别原料油平均钾钠含量生产所用钾（碳酸钾）与原料油比例（ppm）平均钾用量（ppm）产品DBP吸收值（ml/100g）平均DBP吸收值N234 DBP规格钾（ppm）钠（ppm）1A0.613.914.214.8126.2125.4125±714.7125.415.3124.814.8125.02B1

11、.326.00.80.4125.2124.90.6123.00.2124.30.1127.23C2.565.600118.2118.40117.90118.60119.0注：产品其它指标正常。从表2可以看出，当使用钾含量为2.5，钠含量为65.6的原料油生产N234时，在不使用添加剂的情况下，产品的DBP吸收值只能达到118（指标值为125±7），勉强符合指标要求。并且，通过比较A、B类别原料油的实验数据，我们可以发现：（1）当原料油中钾钠含量较低时，需要多使用添加剂；（2）生产中所添加的量与原料油中本来含有的钾钠含量之和大约是恒定的，见图3、图4；（3）没有发现钾钠离子之间的区别；

12、（4）当原料油中钾钠含量高时，生产时所用添加剂的用量较小，此时产品的波动加大，产品的可控性低，见图5和图6，可以看出A类原料油生产的可控度较高。图3图4 图5 图6 图3 图44. 结束语： 由此可见，原料油中钾钠含量对高结构产品的DBP吸收值的影响是显而易见的，所以在生产高结构炭黑时，必须要对炭黑原料油的钾钠含量进行控制。不同原料油厂家由于生产工艺的不同，其中的钾钠含量也是不同的，所以我们必须采取有效的办法对其按照钾钠含量不同进行分类以供应用与不同的生产用途。本文通过建立一种检测原料油中钾钠含量的方法，根据该方法将含有不同比例的钾和钠的原料油进行分类储存，以用于不同的生产目的。例如，钾钠含量低于20ppm的原料油用于生产N234等高DBP吸收值的产品，使过程可控度提高