采用超聲技術再生水玻璃舊砂的方法
【專利摘要】一種采用超聲技術再生水玻璃舊砂的方法是將水玻璃舊砂放入配制好的氫氧化鈉溶液中，浸泡后將水玻璃砂分離，浸漬后的水玻璃砂放置在清水或質量濃度為0％-20％的堿液中，使用頻率為20kHz－200kHz的超聲波超聲5－60min，超聲后的水玻璃砂與廢液過濾分離，得到水玻璃砂和含有廢渣的廢液，水玻璃砂經洗滌后烘干，得到脫膜率不低于95％的再生砂。本發明具有再生脫膜率高，無污染，再生砂可用性好的優點。
【專利說明】采用超聲技術再生水玻璃舊砂的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種采用超聲技術再生水玻璃舊砂的方法。
【背景技術】
[0002] 水玻璃砂具有強度高、成本低、工藝簡單、無氣味、環境友好、能耗低、鑄件質量好 等優勢，是最有可能實現綠色鑄造的型砂種類。我國作為鑄造第一大國，90%以上的鑄鋼件 生產采用水玻璃砂工藝，每年產生水玻璃舊砂600萬噸一800萬噸。目前，水玻璃舊砂除了 部分回用外，基本都采用填埋的方式處理，既浪費了有限的硅砂資源，又增加了處置成本， 并且嚴重污染了生態環境。因此，開發高效水玻璃舊砂再生新技術，實現水玻璃砂的再生回 用，已迫在眉睫，也是實現綠色鑄造的核心。
[0003] 目前，工業上成熟的水玻璃舊砂再生技術有干法再生和濕法再生兩種。
[0004] 干法再生依靠舊砂粒與金屬構件間或砂粒之間互相"碰撞摩擦"使舊砂粒表面的 殘留粘結劑發生破壞、脫落，從而使舊砂獲得再生，簡單而易于實現。早期再生機以碰撞為 主，現在逐漸過度到以摩擦為主，大多兼有"碰撞-摩擦"兩種過程。
[0005] 干法再生效果受舊砂受熱溫度、水玻璃加入量、舊砂含水量、再生作用力和舊砂粘 結劑力學性能等影響因素。由于常溫條件下，水玻璃膜呈強韌性，不利于干法再生，故在此 基礎上，人們開發了加熱一干法再生和冷凍一干法再生方法。研究結果表明，將水玻璃舊 砂進行120°C-200°C加熱可去除舊砂粒上殘留粘結劑中的水分，增強干法再生水玻璃舊 砂的脫膜效果；研究發現殘留酯是使酯硬化水玻璃舊砂及其干法再生砂可使用時間變短、 再粘結強度下降的主要原因；而將水玻璃舊砂進行320°C-350°C以上的加熱，可去除殘留 酯及殘留有機物的影響，增強水玻璃再生砂的可使用時間及再粘結強度。也有人研究得出 酯硬化水玻璃舊砂再生加熱的適宜溫度為300°C - 350°C，Na20去除率可達到50%，超過 300°C，去除率減緩。水玻璃舊砂干法再生過程中，除塵也是一個十分重要的問題，再生砂的 粉塵除不好，殘存Na20降不下來，從而大大影響再生砂的質量和效果。
[0006] 濕法再生的理論基礎是水玻璃舊砂中的鹽以及殘留粘結劑可溶于水。濕法再生效 果受再生時間、砂水比、再生工藝、再生強度、水的溫度、舊砂的受熱溫度和水玻璃加入量等 因素的影響。舊砂受熱溫度越高，殘留粘結劑在水中的溶解度就越低，濕法再生越困難，而 水玻璃加入量越高，舊砂上殘留的粘結劑也越多，要獲得良好的再生效果就越難。認為砂水 比約為0.7:1時，摩擦作用較好，當砂水比1:2時左右時，Na20去除率最高。再生擦洗 時間越長，Na20去除率越高，前3min去除率增加明顯，之后增加緩慢，他將其歸因于砂粒凹 坑或縫隙中的殘留粘結劑的溶解速度較慢。
[0007] 由于濕法再生耗水量較大，再生污水為強堿性，濕法再生中的污水處理就成了濕 法再生的關鍵技術之一。
[0008] 通過多年的研究和探索發現，水玻璃舊砂干法再生脫膜率低，差，濕法再生耗水量 大、困難、濕砂烘干能耗高等問題沒能完全解決。
[0009] 用超聲波脫除水玻璃舊砂表面粘結膜的方法，經檢索未發現有文獻記載。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的是提供一種再生脫膜率高，無污染，再生砂可用性好的采用超聲技 術再生水玻璃舊砂的方法。
[0011] 本發明運用了超聲波在介質中傳播時，由于超聲波與介質的相互作用，使介質發 生物理或化學的變化，從而產生一系列力學、熱、電磁和化學的效應。本發明將超聲波在介 質中傳播產生的超聲效應應用到水玻璃舊砂表面黏結膜的脫除上，化學法和物理法并用， 能夠得到顯著的效果。
[0012] 超聲波在脫除水玻璃舊砂表面黏結膜的過程中產生并利用的超聲效應主要包括 以下3種：
[0013] ①空化作用：超聲波在以每秒兩萬次以上的壓縮力和減壓力交互性的高頻變換中 向水玻璃舊砂周圍的堿液中進行透射時，無數空化泡快速形成并迅速內爆，由此產生瞬時 的高溫、高壓。從理論上分析，爆裂的空化泡會產生超過10, OOOpsi的壓力和11，ooo°c的高 溫，并在其爆裂的瞬間沖擊波會迅速向外輻射。單個空化泡所釋放的能量很小，但每秒鐘有 幾百萬的空化泡同時爆裂，累計起來的效果是非常強烈的，產生的強大的沖擊力作用于周 圍的水玻璃舊砂表面，能夠將水玻璃舊砂表面的黏結膜剝落下來。
[0014] ②熱效應：超聲波的頻率高，能量大，被水玻璃舊砂周圍的堿液吸收時或產生振動 時能產生顯著的熱效應，加大水玻璃黏結膜在堿液中的溶解度，提高黏結膜的脫除效率。
[0015] ③化學效應：超聲波能夠加速降低水玻璃模數的化學反應。與空化作用相伴隨，超 聲波可以加速Na 20+Si02 - Na2Si03的進行，脫除黏結膜的同時，降低黏結膜的模數，提高其 溶液度。
[0016] 本發明采用超聲技術再生水玻璃舊砂的方法，具體包括以下步驟：
[0017] (1)配制質量濃度為5%-25 %的氫氧化鈉溶液；
[0018] (2)按水玻璃舊砂與氫氧化鈉溶液體積比為1:1 一 2,將水玻璃舊砂放入配制好的 氫氧化鈉溶液中，室溫下浸泡2 - 48h，浸漬后將水玻璃砂分離，堿液循環使用；
[0019] (3)將步驟（2)中浸漬后的水玻璃砂放置在清水或質量濃度為大于零小于等于 20%的堿液中，使用頻率為20kHz - 200kHz的超聲波超聲5 - 60min，其中水玻璃砂與水的 質量比為1:1 一 5,水玻璃舊砂與堿液的質量比為1:1 一 3 ;
[0020] (4)將步驟（3)中超聲后的水玻璃砂與廢液過濾分離，得到水玻璃砂和含有廢渣 的廢液。水玻璃砂經洗滌后烘干，得到脫膜率不低于95 %的再生砂，將含有廢渣的廢液再經 過濾得到廢渣和洗滌水，廢渣經C02吹氣變成碳酸鈉和硅酸鈉的混合物；洗滌水循環使用。
[0021] 使用超聲波脫膜的原理同超聲波清洗相同，均是基于空化作用。在液體介質中施 加高頻（超聲頻率）、高強度的聲波（即一種壓縮和膨脹交替的波），液體介質在波的膨脹 階段被推開，形成氣泡，而在波的壓縮階段，氣泡在液體中瞬間爆裂或內爆，產生一種非常 有效的沖擊力，這個過程被稱為空化作用。
[0022] 從理論上分析，爆裂的空化泡會產生超過lOOOOpsi的壓力和1KKKTC的高溫，并 在其爆裂的瞬間沖擊波會迅速向外輻射。單個空化泡所釋放的能量很小，但每秒鐘內有幾 百萬的空化泡同時爆裂，累計起來的效果非常強烈，產生強大的沖擊力足以將浸沒在介質 中的水玻璃舊砂表面的黏結膜剝落下來，達到脫膜的目的。
[0023] 本發明與現有技術相比具有如下優點：
[0024] 首次將超聲波在介質中傳播而引起的超聲效應應用在水玻璃舊砂脫膜上，使用較 低成本即可得到脫膜率不低于95 %的再生砂，并且基本無三廢處理，沒有二次環境污染，且 廢渣經處理后可以用作化工原料，產生二次經濟效益，使水玻璃砂的再生成本進一步降低， 從而實現綠色鑄造的最終目的。再生砂可用作100%面砂，無須添加新砂即可達到優良的鑄 造效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是水玻璃砂再生前的SEM形貌圖，再生前舊砂表面覆蓋一層蜂窩狀黏結膜，砂 粒表面裸露率不高于10%。
[0026] 圖2是實施例1水玻璃砂再生后的SEM形貌圖，再生后砂粒表面裸露率達99%。
[0027] 圖3是實施例2水玻璃砂再生后的SEM形貌圖，再生后砂粒表面裸露率達98%。
[0028] 圖4是實施例3水玻璃砂再生后的SEM形貌圖，再生后砂粒表面裸露率達99. 5%。
[0029] 圖5是實施例4水玻璃砂再生后的SEM形貌圖，再生后砂粒表面裸露率達99. 5%。
[0030] 圖6是實施例5水玻璃砂再生后的SEM形貌圖，再生后砂粒表面裸露率達99%。
[0031] 圖7是實施例6水玻璃砂再生后的SEM形貌圖，再生后砂粒表面裸露率達98%。
【具體實施方式】
[0032] 實施例1
[0033] (1)配制質量濃度為15%的氫氧化鈉溶液。
[0034] (2)按水玻璃舊砂與氫氧化鈉溶液體積比為1:1，將水玻璃舊砂放入配制好的氫 氧化鈉溶液中浸漬，室溫下浸泡16h，浸漬完成后將水玻璃砂分離，堿液中添加質量為堿液 質量的3 %的NaOH循環使用。
[0035] (3)將步驟⑵中浸漬的水玻璃舊砂放置在清水中，使用頻率為25kHz的超聲波超 聲25min，水玻璃舊砂與水的質量比為1:2。
[0036] (4)將步驟（3)中超聲后的水玻璃砂與廢液過濾分離，水玻璃砂經洗滌后烘干，得 到脫膜的再生砂。洗滌廢水經過濾得到廢渣和洗滌水，廢渣經C0 2吹氣變成碳酸鈉和硅酸 鈉的混合物，用作熔煉催化劑的原料；洗滌水可以循環使用。
[0037] 其水玻璃砂再生后的形貌見附圖2。再生前后Na20含量及脫膜率見附表1。
[0038] 實施例2
[0039] (1)配制質量濃度為5%的氫氧化鈉溶液。
[0040] (2)按水玻璃舊砂與氫氧化鈉溶液體積比為1:2,將水玻璃舊砂放入配制好的氫 氧化鈉溶液中浸漬，室溫下浸泡36h，浸漬完成后將水玻璃砂分離，堿液中添加質量為堿液 質量的1 %的NaOH循環使用。
[0041] (3)將步驟⑵中浸漬的水玻璃舊砂放置在質量濃度為20 %的NaOH溶液中，使用 頻率為50kHz的超聲波超聲48min，水玻璃舊砂與水的質量比為1:5。
[0042] (4)將步驟（3)中超聲后的水玻璃砂與廢液過濾分離，水玻璃砂經洗滌后烘干，得 到脫膜再生砂。洗滌廢水經過濾得到廢渣和洗滌水，廢渣經co 2吹氣變成碳酸鈉和硅酸鈉 的混合物，用作熔煉催化劑的原料；洗滌水可以循環使用。
[0043] 其水玻璃砂再生后的形貌見附圖3。再生前后Na20含量及脫膜率見附表1。
[0044] 實施例3
[0045] (1)配制質量濃度為20%的氫氧化鈉溶液。
[0046] (2)按水玻璃舊砂與氫氧化鈉溶液體積比為1:1. 2,將水玻璃舊砂放入配制好的 氫氧化鈉溶液中浸漬，室溫下浸泡24h,浸漬完成后將水玻璃砂分離,堿液中添加質量為堿 液質量的4%的NaOH循環使用。
[0047] (3)將步驟⑵中浸漬的水玻璃舊砂放置在清水中，使用頻率為150kHz的超聲波 超聲5min，水玻璃舊砂與水的質量比為1:1。
[0048] (4)將步驟（3)中超聲后的水玻璃砂與廢液過濾分離，水玻璃砂經洗滌后烘干，得 到脫膜的再生砂。洗滌廢水經過濾得到廢渣和洗滌水，廢渣經co 2吹氣變成碳酸鈉和硅酸 鈉的混合物，用作熔煉催化劑的原料；洗滌水可以循環使用。
[0049] 其水玻璃砂再生后的形貌見附圖4。再生前后Na20含量及脫膜率見附表1。
[0050] 實施例4
[0051] (1)配制質量濃度為25%的氫氧化鈉溶液。
[0052] (2)按水玻璃舊砂與氫氧化鈉溶液體積比為1:1，將水玻璃舊砂放入配制好的氫 氧化鈉溶液中浸漬，室溫下浸泡2h,浸漬完成后將水玻璃砂分離，堿液中添加質量為堿液質 量的5%的NaOH循環使用。
[0053] (3)將步驟（2)中浸漬的水玻璃舊砂放置在質量濃度為1%的NaOH溶液中，使用 頻率為200kHz的超聲波超聲60min，水玻璃舊砂與堿液的質量比為1:1。
[0054] (4)將步驟（3)中超聲后的水玻璃砂與廢液過濾分離，水玻璃砂經洗滌后烘干，得 到脫膜的再生砂。洗滌廢水經過濾得到廢渣和洗滌水，廢渣經C0 2吹氣變成碳酸鈉和硅酸 鈉的混合物，用作熔煉催化劑的原料；洗滌水可以循環使用。
[0055] 其水玻璃砂再生后的形貌見附圖5。再生前后Na20含量及脫膜率見附表1。
[0056]實施例5
[0057] (1)配制質量濃度為15%的氫氧化鈉溶液。
[0058] (2)按水玻璃舊砂與氫氧化鈉溶液體積比為1:1，將水玻璃舊砂放入配制好的氫 氧化鈉溶液中浸漬，室溫下浸泡16h，浸漬完成后將水玻璃砂分離，堿液中添加質量為堿液 質量的3 %的NaOH循環使用。
[0059] (3)將步驟（2)中浸漬的水玻璃舊砂放置在質量濃度為10 %的NaOH溶液中，使用 頻率為20kHz的超聲波超聲5min，水玻璃舊砂與水的質量比為1:3。
[0060] (4)將步驟（3)中超聲后的水玻璃砂與廢液過濾分離，水玻璃砂經洗滌后烘干，得 到脫膜的再生砂。洗滌廢水經過濾得到廢渣和洗滌水，廢渣經co 2吹氣變成碳酸鈉和硅酸 鈉的混合物，用作熔煉催化劑的原料；洗滌水可以循環使用。
[0061] 其水玻璃砂再生后的形貌見附圖6。再生前后Na20含量及脫膜率見附表1。
[0062] 實施例6
[0063] (1)配制質量濃度為10%的氫氧化鈉溶液。
[0064] (2)按水玻璃舊砂與氫氧化鈉溶液體積比為1:2,將水玻璃舊砂放入配制好的氫 氧化鈉溶液中浸漬，室溫下浸泡48h，浸漬完成后將水玻璃砂分離，堿液中添加質量為堿液 質量的2 %的NaOH循環使用。
[0065] (3)將步驟（2)中浸漬的水玻璃舊砂放置在質量濃度為15 %的NaOH溶液中，使用 頻率為100kHz的超聲波超聲30min，水玻璃舊砂與水的質量比為1:2。
[0066] (4)將步驟（3)中超聲后的水玻璃砂與廢液過濾分離，水玻璃砂經洗滌后烘干，得 到脫膜的再生砂。洗滌廢水經過濾得到廢渣和洗滌水，廢渣經co2吹氣變成碳酸鈉和硅酸 鈉的混合物，用作熔煉催化劑的原料；洗滌水可以循環使用。
[0067] 其水玻璃砂再生后的形貌見附圖7。再生前后Na20含量及脫膜率見附表1。
【權利要求】
1. 一種采用超聲技術再生水玻璃舊砂的方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 配制質量濃度為5 % - 25 %的氫氧化鈉溶液； (2) 按水玻璃舊砂與氫氧化鈉溶液體積比為1:1 一 2,將水玻璃舊砂放入配制好的氫氧 化鈉溶液中，室溫下浸泡2 - 48h，浸漬后將水玻璃砂分離，堿液循環使用； (3) 將步驟（2)中浸漬后的水玻璃砂放置在清水或質量濃度為大于零小于等于20%的 堿液中，使用頻率為20kHz - 200kHz的超聲波超聲5 - 60min，其中水玻璃砂與水的質量比 為1:1 一 5,水玻璃舊砂與堿液的質量比為1:1 一 3 ; (4) 將步驟（3)中超聲后的水玻璃砂與廢液過濾分離，得到水玻璃砂和含有廢渣的廢 液。水玻璃砂經洗滌后烘干，得到脫膜率不低于95 %的再生砂，將含有廢渣的廢液再經過濾 得到廢渣和洗滌水，廢渣經C02吹氣變成碳酸鈉和硅酸鈉的混合物；洗滌水循環使用。
【文檔編號】B22C5/00GK104399876SQ201410632362
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月11日 優先權日:2014年11月11日
【發明者】張福麗, 常云峰 申請人:天津眾智科技有限公司