CN107922204A - 二氧化硅气凝胶的制备*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显著提高所使用的原料的回收率、降低制备二氧化硅气凝胶所需的能量成本以有效地制备二氧化硅气凝胶的二氧化硅气凝胶的制备***。该二氧化硅气凝胶的制备***包括：原料供应部，将去离子水、水玻璃、表面改性剂、无机酸和有机溶剂中的至少一种原料输送到混合部；混合部，将从原料供应部输送的原料进行混合以制备二氧化硅湿凝胶；分离部，从自混合部输送的包含二氧化硅湿凝胶的混合物中分离原料中的至少一种原料；干燥部，干燥从分离部输送的二氧化硅湿凝胶以制备二氧化硅气凝胶；回收部，回收在混合部和干燥部中的至少一个中使用的所述原料中的汽化的原料的一部分；以及传热部，将热量传递到混合部和干燥部中的至少一个。

Description

二氧化硅气凝胶的制备***

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年3月24日提交的韩国专利申请No.10-2016-0035566的优先权的权益，在此将其全部内容通过引用并入。

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶的制备***，并且更具体地，涉及一种显著提高所使用的原料的回收率并且降低制备二氧化硅气凝胶所需的能量成本以有效地制备二氧化硅气凝胶的二氧化硅气凝胶的制备***。

背景技术

二氧化硅气凝胶具有以SiO₂·nH₂O表示的化学式，90％至99.9％的高孔隙率和1nm至100nm的孔径。二氧化硅气凝胶可以是具有600m²/g的超孔隙率的高比表面积的材料。

由于二氧化硅气凝胶具有纳米多孔结构和非常大的表面积，所以二氧化硅气凝胶可以具有非常优异的水和醇吸收能力，因此可以用作非常优异的除湿剂以及用作超轻和超绝热材料、催化剂载体和超绝缘材料。

尽管应用范围广泛，但二氧化硅气凝胶的使用极其有限。

用于制备二氧化硅气凝胶的过程中的核心技术是干燥工艺技术，该工艺技术能够在将二氧化硅湿凝胶的结构保持原样的同时干燥湿凝胶而不收缩。代表性的干燥方法是超临界干燥工艺。然而，由于超临界干燥工艺因为使用由于高压而引起生产成本高和风险高并且不能连续运行的高压釜，因此在经济效益和连续性方面有很多限制。另外，存在的缺点为，不仅制造过程中包含风险因素，而且由于制造过程复杂，制造成本也高。

尽管存在用于在常压下干燥二氧化硅湿凝胶的商业上可获得的技术为这样的缺点作准备，但是存在这样的缺点，即在二氧化硅湿凝胶的内部和外部存在大量的液体，并且因此，需要大的干燥成本来干燥二氧化硅湿凝胶。

另外，由于使用了许多原料来制备二氧化硅气凝胶，所以迫切需要开发用于再利用原料的技术。为此，关于分离纯化的技术和操作条件以便再利用所使用的原料的许多建议也可能是必要的。

[现有技术文件]

韩国专利注册号10-1082982

发明内容

技术问题

因此，本发明是为了解决上述问题而提出的，并且本发明的目的在于提供一种用于制备二氧化硅气凝胶的***，该***显著提高所使用的原料的回收率并且降低制备二氧化硅气凝胶所需的能量成本以有效地制备二氧化硅气凝胶。

技术方案

根据本发明的二氧化硅气凝胶的制备***包括：原料供应部，所述原料供应部将去离子水、水玻璃、表面改性剂、无机酸和有机溶剂中的至少一种原料输送到混合部；所述混合部，所述混合部将从所述原料供应部输送的原料进行混合以制备二氧化硅湿凝胶；分离部，所述分离部从自所述混合部输送的包含所述二氧化硅湿凝胶的混合物中分离所述原料中的至少一种原料；干燥部，所述干燥部干燥从所述分离部输送的所述二氧化硅湿凝胶以制备二氧化硅气凝胶；回收部，所述回收部回收在所述混合部和所述干燥部中的至少一个中使用的原料的汽化的原料的一部分；以及传热部，所述传热部将热量传递到所述混合部和所述干燥部中的至少一个。

有益效果

根据本发明的用于制备二氧化硅气凝胶的***可以包括原料供应部、混合部、分离部、干燥部、回收部和传热部，以显著提高所使用的原料的回收率并且降低制备二氧化硅气凝胶所需的能量成本，从而有效地制备二氧化硅气凝胶。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***的框图；

图2是示出根据本发明的实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***中的分离部的具体组成的视图；

图3是示出根据本发明的实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***中的回收部的具体组成的视图。

具体实施方式

下面将参考附图更详细地描述本发明的优选实施例。但是，本发明不限于以下的实施方式。

图1是示出根据本发明的实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***的框图。图2是示出根据本发明的实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***中的分离部的具体组成的视图。图3是示出根据本发明的实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***中的回收部的具体组成的视图。

在下文中，将参考图1至图3来描述根据本发明的实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***。

参考图1，根据本发明实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***100包括原料供应部110、混合部120、分离部130、干燥部140、回收部150和传热部160。

参考图1，原料供应部110可以将去离子水、水玻璃、表面改性剂、无机酸和有机溶剂中的至少一种原料输送到混合部120。可以仅使用一种有机溶剂，或者可以使用两种或更多种有机溶剂。

原料供应部110可以将诸如去离子水、水玻璃、表面改性剂、无机酸和有机溶剂的原料的一部分彼此混合，并且原样输送剩余的原料。

去离子水表示包含在去除了离子的水中的水。水玻璃是通过融化二氧化硅和碱得到的硅酸钠(液相)的深色水溶液。水玻璃可以通过在1300℃至1500℃的温度下熔化硅砂和纯碱的混合物然后在低压蒸汽锅中处理熔化的混合物来获得。

水玻璃没有特别的限制，但是可以包含28重量％至30重量％的二氧化硅(SiO₂)。而且，水玻璃溶液可以包含0.1重量％至10重量％的二氧化硅。

去离子水和水玻璃分别储存在相应的储存容器中。然后，去离子水和水玻璃可以分别通过管从储存容器输送到混合部120。当阀安装在各个连接管的中间部分时，可以调节去离子水和水玻璃中的每一个的量。

通常，通过使用水玻璃制备的二氧化硅湿凝胶可以具有充满作为溶剂的水的空心。二氧化硅湿凝胶可以被称为二氧化硅水凝胶。然而，当通过干燥过程去除溶剂时，液体溶剂可能汽化成气相，从而由于气/液界面中水的高表面张力而导致多孔结构的收缩和裂纹。因此，在最终制备的二氧化硅气凝胶中，发生比表面积降低和多孔结构变化。

因此，为了保持湿凝胶的多孔结构，不仅需要用具有相对低表面张力的有机溶剂替代相对高表面张力的水，而且还需要在按原样保持湿凝胶的结构的同时干燥湿凝胶而不收缩。当二氧化硅湿凝胶的空心充满非极性有机溶剂时，二氧化硅湿凝胶可以被称为二氧化硅液凝胶。

非极性有机溶剂可以替代制备的二氧化硅湿凝胶的空心中存在的水，以防止当二氧化硅湿凝胶被干燥时在湿凝胶的空心中存在的水的汽化过程中产生的孔的结构和裂缝的产生。因此，可以防止当二氧化硅湿凝胶被干燥时发生的比表面积降低和多孔结构变化的发生。

有机溶剂可以包括选自由己烷、庚烷、甲苯和二甲苯组成的组中的至少一种，但不限于此。更详细地说，有机溶剂可以是己烷。

干燥的二氧化硅气凝胶可以在干燥后就保持低的热导率，但二氧化硅表面上存在的亲水性硅醇基(Si-OH)可吸收空气中的水以逐渐增加热导率。因此，为了保持低导热率，就需要将二氧化硅气凝胶的表面改性为疏水性的。

有机硅化合物可以用作当制备二氧化硅湿凝胶时能够使用的表面改性剂。特别地，可以使用硅烷类化合物、硅氧烷类化合物、硅醇类化合物或硅氮烷类化合物作为表面改性剂。这里，可以单独使用其中一种，或可以使用它们中的两种或更多种的混合物。

硅烷类化合物的具体示例可以包括二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、二甲基二氯硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷等。

硅氧烷类化合物的具体示例可以包括聚二甲基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷、八甲基环四硅氧烷等。

硅醇类化合物的具体示例可以包括三甲基硅醇、三乙基硅醇、三苯基硅醇、叔丁基二甲基硅醇等。

另外，硅氮烷化合物的具体示例可以包括1,2-二乙基二硅氮烷、1,1,2,2-四甲基二硅氮烷、1,1,3,3-四甲基二硅氮烷、六甲基二硅氮烷、1,1,2,2-四乙基二硅氮烷、1,2-二异丙基二硅氮烷等。

而且，表面改性剂可以是水合有机硅化合物。当如上所述使用水合有机硅化合物时，与二氧化硅的反应性可增加以更有效地进行表面改性。因此，可以制备在保持优异的疏水性的同时具有显著改善的振实密度特性和比表面积的疏水性二氧化硅气凝胶。

更具体地说，考虑到表面改性效率以及由此对二氧化硅湿凝胶的疏水性增加效果，表面改性剂可以包括选自由六甲基二硅氮烷、四甲基二硅氮烷和它们的水合物组成的组中的至少一种，并且更具体地，表面改性剂包括六甲基二硅氮烷(HMDS)。

可用于制备二氧化硅湿凝胶的无机酸可以包括选自由硝酸、盐酸、乙酸、硫酸和氢氟酸组成的组中的至少一种酸，并且特别地，无机酸可以是硝酸(HNO₃)。

无机酸可以与表面改性剂快速反应以分解表面改性剂。因此，可以促进水玻璃溶液和表面改性剂之间的反应以形成表面疏水性二氧化硅溶胶。而且，无机酸可以通过调节其pH来促进疏水性二氧化硅溶胶的凝胶化。因此，可以通过同时引起表面改性和凝胶化来制备疏水性二氧化硅湿凝胶。

混合部120可以混合从原料供应部110输送的原料以制备二氧化硅湿凝胶。混合部120可以包括电动机(未示出)和混合罐(未示出)。在混合罐中，从原料供应部110输送的原料可以通过经电动机旋转的搅拌叶片来被混合。在进行混合过程的同时，可以在混合罐中制备二氧化硅湿凝胶。用于测量温度的温度传感器可以设置在混合罐中。

在混合部120中制备的二氧化硅湿凝胶可以经由分离部130输送到干燥部140。为此，混合部120、分离部130和干燥部140可以通过管连接到彼此。而且，为了控制被输送的二氧化硅湿凝胶的量，可以在各个连接管中安装阀门。

分离部130可以从自混合部120输送的包含二氧化硅湿凝胶的混合物中分离原料中的至少一种原料。

参考图2，分离部130可以包括用于自混合部120输送的混合物中分离水的水分离器131。水分离器131可以通过利用比重差来分离水。特别地，水分离器131可以是作为通过利用比重差来分离多种液体的机构的液液滗析器。

当混合物被引入到液液滗析器中时，混合物在液液滗析器内主要被分成水和有机溶剂两层。有机溶剂可以作为上层提供，并且水可以作为下层提供。这是由于水和有机溶剂之间的比重差造成的。

水和有机溶剂可以如同水和油被分层一样分层而不彼此混合。这里，二氧化硅湿凝胶会混合在形成上层的有机溶剂中，但是基本上不会混合在形成下层的水中。

当液液滗析器的下阀打开时，下层(即，水)可以被排出并因此被有效地分离。当水被完全排出时，只有形成上层的有机溶剂可以保留在液液滗析器中。

尽管溶解在水中的其它杂质少量包含在分离的水中，但分离的水可经由过滤器132排入废水处理设备134中。当水通过过滤器132时，固体残余物133可以被滤除。过滤后的水可以在废水处理设备134中用纯水净化。此后，净化水也可以重新用于制备二氧化硅气凝胶的***。

分离部130可以进一步包括有机溶剂分离器135，用于从混合有通过水分离器131的二氧化硅湿凝胶的有机溶剂混合物中额外分离有机溶剂。

有机溶剂分离器135可以通过利用离心力使有机溶剂分离。特别地，有机溶剂分离器135可以是离心滗析器。

离心滗析器可以通过利用离心力将二氧化硅湿凝胶和有机溶剂彼此分离。这可能与离心的原理是一样的，就如同洗衣机中的水与衣物分离一样。

更详细地，从洗衣机分离并排出的水可以对应于有机溶剂，并且剩余的衣物可以对应于二氧化硅湿凝胶。

从离心滗析器分离的有机溶剂136可以单独收集，然后重新用作用于制备二氧化硅气凝胶的***中的原料。而且，在离心滗析器中分离的二氧化硅湿凝胶可被输送至干燥部140。

然后，二氧化硅湿凝胶可以在干燥部140中被干燥以制备二氧化硅气凝胶。这里，由于分离器130的作用，通过在干燥部140中汽化而被去除的有机溶剂的量非常小，因此可以提高干燥部140的性能。

通过使用液液滗析器分离水的技术或通过使用离心滗析器分离有机溶剂的技术可以显著提高所用原料的回收率并且降低用于制备二氧化硅气凝胶所需的能量成本。因此，可以有效地制备二氧化硅气凝胶。

如果不使用液液滗析器或离心滗析器，则由于所有的水和有机溶剂必须通过加热汽化而被去除，所以可能需要大量的能量成本。

相比之下，由于液液滗析器通过利用比重差分离水，并且离心滗析器通过利用机械力分离有机溶剂，所以可以使用相对低得多的能量成本来执行分离。

另外，尽管回收被汽化成气体的水或有机溶剂是困难的，但是液液滗析器或离心滗析器可以更容易且有效地回收原料，并且因此，回收率可能会显著增加，并且成本可能会大大降低。

干燥部140干燥从分离部130输送的二氧化硅湿凝胶以制备二氧化硅气凝胶。干燥部140可以包括电动机(未示出)和干燥罐(未示出)。在干燥罐中，二氧化硅湿凝胶的干燥可以通过由电动机旋转的搅拌叶片的旋转来进行。在这种情况下，可以制造具有粉末形式的二氧化硅气凝胶。

根据本发明的实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***100还可以包括收集在干燥部140中制备的二氧化硅气凝胶粉末的收集部170。

干燥部140和收集部170可以通过管彼此连接。这里，阀可以安装在连接管的中间部分。可以通过切换来控制阀，以调节从干燥部140输送到收集部170的二氧化硅气凝胶的量。

回收部150回收在混合部120和干燥部140中的至少一个中使用的原料的汽化的原料的一部分。特别地，回收部150可以主要回收在混合部120和干燥部140汽化的有机溶剂。回收部150可以包括冷凝器151、储罐152和真空泵153。

冷凝器151可以将汽化和回收的原料液化，并且储罐152可以储存诸如在冷凝器151中液化的有机溶剂的原料。储罐152还可以在远离冷凝器151的位置处接收来自冷凝器151的相应的液化的原料，以储存原料。真空泵153可以用于控制冷凝器151和储罐152中的每一个的压力。

当通过回收部150回收在进行干燥过程的同时汽化的有机溶剂时，可以在干燥部140中设置过滤器，使得二氧化硅气凝胶粉末不被回收。

在根据本发明的实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***150中，回收部150可以进一步包括溶剂分离装置154，溶剂分离装置154从储存在储罐152中的原料中分离有机溶剂。溶剂分离装置154可以是通过利用沸点差来分离有机溶剂的装置。特别地，溶剂分离装置154可以是通过使用蒸馏塔来分离有机溶剂的装置。这里，蒸馏塔可以是通过利用沸点差将混合的液体混合物彼此分离的装置中的一种。

储存在储罐152中的液化的原料可以被输送到蒸馏塔中，然后通过沸点差被分离成多种原料。有机溶剂155由于其低沸点而可以从蒸馏塔的上部分离。有机溶剂可以从蒸馏塔的上部以气态排出。通过上述方式可以从蒸馏塔的上部回收有机溶剂。回收的有机溶剂可以是纯有机溶剂。

而且，可以从蒸馏塔的下部回收具有相对高沸点的表面改性剂(HMDS)或处于氧化态的表面改性剂(HMDSO)。表面改性剂(HMDS)或处于氧化态的表面改性剂(HMDSO)可以从蒸馏塔的下部以液态分离。

当通过上述方式回收原料时，所使用的原料的回收率会增加，从而改善产品的成本。

根据本发明的实施例的用于制备二氧化硅气凝胶的***100还可以包括传热部160，传热部160将热量传递到混合部120和干燥部140中的至少一个。传热部160表示用于将热风传递到混合部120和干燥部140的加热器。

在混合部120中进行的溶剂置换和凝胶化可能受到环境温度的影响。这里，优选在30℃至40℃的温度氛围下进行溶剂置换和凝胶化。传热部160可以提供作为用于加热混合部120的介质的热介质或热风。

在干燥部140中执行的干燥过程可能受温度的影响。一般来说，干燥过程在室温至150℃下可具有最高的效率。传热部160也可以将热传递到干燥部140。

尽管已经参考具体实施例描述了本发明的实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下进行各种改变和修改。

Claims (11)

1.一种二氧化硅气凝胶的制备***，所述制备***包括：

原料供应部，所述原料供应部将去离子水、水玻璃、表面改性剂、无机酸和有机溶剂中的至少一种原料输送到混合部；

所述混合部，所述混合部将从所述原料供应部输送的原料进行混合以制备二氧化硅湿凝胶；

分离部，所述分离部从自所述混合部输送的包含所述二氧化硅湿凝胶的混合物中分离所述原料中的至少一种原料；

干燥部，所述干燥部干燥从所述分离部输送的所述二氧化硅湿凝胶以制备所述二氧化硅气凝胶；

回收部，所述回收部回收在所述混合部和所述干燥部中的至少一个中使用的原料的汽化的原料的一部分；以及

传热部，所述传热部将热量传递到所述混合部和所述干燥部中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的制备***，其中，所述无机酸是硝酸，

所述有机溶剂是己烷，并且

所述表面改性剂是六甲基二硅氮烷。

3.根据权利要求1所述的制备***，其中，所述分离部包括水分离器，所述水分离器从自所述混合部输送的所述混合物中分离水。

4.根据权利要求3所述的制备***，其中，所述水分离器通过利用比重差来分离所述水。

5.根据权利要求3所述的制备***，其中，所述分离部还包括有机溶剂分离器，所述有机溶剂分离器从通过所述水分离器的所述混合物中分离所述有机溶剂。

6.根据权利要求5所述的制备***，其中，所述有机溶剂分离器通过利用离心力来分离所述有机溶剂。

7.根据权利要求1所述的制备***，其中，在所述干燥部中制备二氧化硅气凝胶粉末，并且

所述制备***还包括收集部，所述收集部收集所述二氧化硅气凝胶粉末。

8.根据权利要求1所述的制备***，其中，所述回收部包括：

冷凝器，所述冷凝器将以气态回收的原料液化；

储罐，所述储罐接收在所述冷凝器中液化的所述原料以储存所述原料；以及

真空泵，所述真空泵控制所述冷凝器和所述储罐中的每一个的压力。

9.根据权利要求8所述的制备***，其中，所述回收部还包括溶剂分离装置，所述溶剂分离装置从在所述储罐中储存的所述原料中分离有机溶剂。

10.根据权利要求9所述的制备***，其中，所述溶剂分离装置通过利用沸点差来分离所述有机溶剂。

11.根据权利要求10所述的制备***，其中，所述溶剂分离装置包括蒸馏塔，

从所述蒸馏塔的上部回收所述有机溶剂，并且

从所述蒸馏塔的下部回收所述表面改性剂或处于氧化态的所述表面改性剂。