CN118183761A - 一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法 - Google Patents
一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN118183761A CN118183761A CN202410307231.0A CN202410307231A CN118183761A CN 118183761 A CN118183761 A CN 118183761A CN 202410307231 A CN202410307231 A CN 202410307231A CN 118183761 A CN118183761 A CN 118183761A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- temperature
- preparing
- silicon source
- waste
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 87
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 43
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 43
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 42
- 239000010433 feldspar Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 239000002699 waste material Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 239000004964 aerogel Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 title claims abstract description 23
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 63
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 42
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 39
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims abstract description 28
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000011240 wet gel Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims abstract description 20
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000004965 Silica aerogel Substances 0.000 claims description 37
- 239000000499 gel Substances 0.000 claims description 33
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 31
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 238000001994 activation Methods 0.000 claims description 25
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 18
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 15
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 13
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 13
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 10
- IJOOHPMOJXWVHK-UHFFFAOYSA-N chlorotrimethylsilane Chemical compound C[Si](C)(C)Cl IJOOHPMOJXWVHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000003607 modifier Substances 0.000 claims description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 8
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 claims description 8
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 7
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 claims description 5
- 239000005051 trimethylchlorosilane Substances 0.000 claims description 5
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 5
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- FFUAGWLWBBFQJT-UHFFFAOYSA-N hexamethyldisilazane Chemical compound C[Si](C)(C)N[Si](C)(C)C FFUAGWLWBBFQJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 3
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 6
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims 1
- FWDBOZPQNFPOLF-UHFFFAOYSA-N ethenyl(triethoxy)silane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)C=C FWDBOZPQNFPOLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 12
- 238000002386 leaching Methods 0.000 abstract description 10
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 10
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 abstract description 5
- 239000002893 slag Substances 0.000 abstract description 5
- 239000011734 sodium Substances 0.000 abstract description 5
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000007171 acid catalysis Methods 0.000 abstract description 3
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 41
- 239000010811 mineral waste Substances 0.000 description 22
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 6
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 6
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 5
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 5
- 235000019353 potassium silicate Nutrition 0.000 description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 4
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 3
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052656 albite Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 239000013335 mesoporous material Substances 0.000 description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- 238000000352 supercritical drying Methods 0.000 description 3
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 description 2
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000000194 supercritical-fluid extraction Methods 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 0.000 description 1
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 229910052664 nepheline Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010434 nepheline Substances 0.000 description 1
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 description 1
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003109 potassium Chemical class 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- -1 silicon alkoxide Chemical class 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- LFQCEHFDDXELDD-UHFFFAOYSA-N tetramethyl orthosilicate Chemical compound CO[Si](OC)(OC)OC LFQCEHFDDXELDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007725 thermal activation Methods 0.000 description 1
- QQQSFSZALRVCSZ-UHFFFAOYSA-N triethoxysilane Chemical compound CCO[SiH](OCC)OCC QQQSFSZALRVCSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，将长石废料、无水碳酸钠与氢氧化钠加水混合预活化后再加入马弗炉里低温活化得到活化熟料，采用熟料预脱硅处理(水溶一次提硅)、酸浸渣碱溶(二次提硅)、溶胶凝胶法多技术联动的方法制备出二氧化硅气凝胶。本发明采用预活化后再低温活化的方法得到活化熟料，同时利用酸浸法有效分离了水溶渣的Si组分和Na、Al组分，而后碱溶酸浸渣得到硅酸钠溶液，并与水溶预脱硅滤液混合在酸催化作用下快速形成二氧化硅湿凝胶，此制备方法操作简便、产品附加值高、原料及活化成本低廉、可大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于无机胶凝材料领域，尤其涉及一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法。
背景技术
二氧化硅气凝胶因其有着高孔隙率、高比表面积、低密度、低导热系数、低介电常数的优异特性，近年来在国际上引起了广泛的研究和应用，至今建设的生产线多以正硅酸乙酯、硅溶胶和水玻璃等价格昂贵的化学品为硅源，且采用的超临界干燥技术较为复杂，设备成本高，危险性大，制约了气凝胶材料的大规模商业化生产和应用。因此寻找廉价、高效、环保的原材料已成为当前气凝胶材料研究的一种必然趋势，具有很大的必要性和实际意义。
钾、钠长石含有大量可用的硅元素，若能从其中提取硅来制备多孔的二氧化硅气凝胶材料，既可降低制备二氧化硅气凝胶的原材料成本，又可实现对矿物废料的有效回收利用，具有重要的研究意义、环保意义与实际应用价值。
专利CN116654946A以正硅酸四乙酯为硅源、水和低共熔溶剂(乙二醇和有机酸制备)混合水解,氨水调节pH经过老化、置换和改性后在常压条件下分级干燥得到二氧化硅气凝胶。其制备出的二氧化硅气凝胶的孔隙率超过90％，比表面积高达1094m2/g。CN116639700A公开了一种低成本快速制备二氧化硅气凝胶的方法，其通过将聚甲基三乙氧基硅烷加入无机酸进行水解作为硅源，乙醇、水、氢氧化钠作为溶剂将二者混匀静置一段时间后凝固即得到凝胶；经老化及常压干燥后可获得二氧化硅气凝胶。其制备成本低、制备周期短，且制备的二氧化硅气凝胶比表面积也得到了明显提升。CN107128933B提出了一种二氧化硅气凝胶隔热材料的超临界干燥制备方法，其使用稀释后的水玻璃溶液为硅源，通过加入盐酸得到强酸性的硅溶胶，硅溶胶旋转蒸发掉部分水分后加入低表面张力的水溶性极性溶剂混合均匀后使用水玻璃溶液调节溶液pH，形成凝胶；待凝胶老化后通入超临界CO2进行萃取干燥。极大缩短了气凝胶制备周期。CN108439418B公开了一种超临界萃取生产纳米二氧化硅气凝胶的方法，其凝胶是以正硅酸甲酯为硅源所制备，通过将老化改性后的凝胶超临界萃取得到纳米二氧化硅气凝胶，其制备的二氧化硅气凝胶具有低密度、低导热系数、高比表面积和高疏水性。CN112408401B提供一种利用工业固废粉煤灰制备二氧化硅气凝胶的方法，其通过助剂在850℃下热活化得到熟料后经酸溶碱溶后得到水玻璃溶液，再通过加入酸催化得到凝胶，后经改性干燥后制备了具有高比表面积的二氧化硅气凝胶。
以上可以看出现今建设的生产线多以正硅酸乙酯、硅溶胶和水玻璃等价格昂贵的化学品为硅源，且采用的超临界干燥技术较为复杂，设备成本高，危险性大，同时关于废料制备气凝胶时其活化温度过高而导致的成本问题也制约了气凝胶材料的大规模商业化生产和应用。因此寻找廉价、高效、环保的原材料已成为当前气凝胶材料研究的一种必然趋势，具有很大的必要性和实际意义。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法。本发明提供了一种能够降低生产成本，增加设备使用寿命，提高废料中硅元素提取率且安全环保的生产二氧化硅气凝胶的方法。
本发明矿物废料(主要物相为钾、钠长石及石英)中含有大量可用的硅元素，从其中提取硅来制备多孔的二氧化硅气凝胶材料，既可降低制备二氧化硅气凝胶的原材料成本，又可实现对矿物废料的有效回收利用，同时本发明采用常压干燥法取代了的复杂超临界干燥法，降低了气凝胶制备的成本，提升了生成过程的安全性，故具有重要的研究意义、环保意义与实际应用价值。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，包括如下步骤：
(1)将长石废料、无水碳酸钠与氢氧化钠组成的混碱和水混合预活化后放入马弗炉中低温活化得到活化熟料，而后将活化熟料分散于水中，过滤得到第一滤渣和第一滤液；
(2)在第一滤渣中加入过量酸溶液后抽滤得到酸溶渣，水洗后干燥得到第二滤渣；
(3)在第二滤渣中加入氢氧化钠溶液进行碱溶，分离得到第三滤液和第三滤渣；
(4)将第一滤液与第三滤液混合，加入酸溶液使其凝胶，然后老化后得到湿凝胶；利用改性剂对破碎后的湿凝胶破碎进行疏水改性，最后于常压下干燥，即制备得到粉体二氧化硅气凝胶。
优选的，步骤(1)中，无水碳酸钠与氢氧化钠的质量比为1：1.2。
优选的，步骤(1)中，长石废料与混碱的质量比为5：4。
优选的，步骤(1)中，预活化的固液比为1g/2mL。
优选的，步骤(1)中，研磨后的长石废料的粒度为180目以上。
优选的，步骤(1)中，预活化的温度为80℃，时间为120min。
优选的，步骤(1)中，低温活化的温度为200℃，时间为120min。
优选的，步骤(1)中，活化熟料和水的固液比为1g/4～5mL。
优选的，步骤(1)中，活化熟料分散于水中，水的温度为80～90℃，分散后恒温搅拌60～90min。
优选的，步骤(2)中，酸溶液为乙酸，硫酸溶液和硝酸溶液中的一种。
优选的，步骤(2)中，第一滤渣和酸溶液的质量比为1g/10mL。
优选的，步骤(2)中，酸溶液的浓度为4mol/L。
优选的，步骤(3)中，第二滤渣和氢氧化钠溶液的固液比为1g/20～25mL。
优选的，步骤(3)中，氢氧化钠溶液的浓度为1～2mol/L，温度为60℃。
优选的，步骤(3)中，碱溶的搅拌速率为400～500r/min，时间为60min。
优选的，步骤(4)中，酸溶液为乙酸，硝酸、硫酸溶液中的一种；改性剂为三甲基氯硅烷和六甲基二硅氮烷中的一种，醇溶液为甲醇和丙醇中的一种。
优选的，步骤(4)中，老化的方式为：向湿凝胶中加入去离子水，水没过湿凝胶，于45℃～60℃水浴老化；老化的时间为1～2h。
优选的，步骤(4)中，利用改性剂对破碎后的湿凝胶破碎进行疏水改性，其中醇溶液、改性剂和酸溶液体积比为1：(0.1～1)：(0.1～1)；醇溶液、改性剂和酸溶液总体积与凝胶的体积比为(1～10：1)；酸溶液的浓度为6～12mol/L。
优选的，步骤(4)中，加入酸溶液使其凝胶，酸溶液的浓度为1～5mol/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
(1)本发明提出的利用长石废料制备二氧化硅气凝胶的方法，其以廉价的矿物固体废料为原料，替代了价格高昂的有机硅醇盐，既解决二氧化硅气凝胶制备成本高的问题，又提高了矿物废料的高值化利用率。
(2)本发明通过混碱预活化和低温活化处理长石废料，而后水溶初步提取和酸浸渣碱溶二次提取，对废料所含的二氧化硅组分进行提取和分离；具体的，采用熟料预脱硅处理(水溶一次提硅)、酸浸渣碱溶(二次提硅)、溶胶凝胶法多技术联动的方法制备出二氧化硅气凝胶。
(3)本文充分利用了长石废料的含硅组分，通过两步活化法对长石废料进行活化处理，大大降低了直接通过碱熔进行活化的温度，同时本方法的硅质提取率可以达到95％。
(4)本发明使用水溶的方法进行了活化熟料的预脱硅，水溶步骤浸出部分硅元素，避免了直接酸浸过程中硅组分浓度过高增加溶液粘度导致硅浸出率低，同时也可避免酸浸过程中硅元素过多溶入酸溶滤液导致最终硅提取率低以及直接酸溶导致难以除杂的问题。
(5)本发明采用酸浸法有效分离了水溶渣的Si组分和Na、Al组分，而后碱溶酸浸渣得到硅酸钠溶液，并与水溶预脱硅滤液混合在酸催化作用下快速形成二氧化硅湿凝胶，此制备方法操作简便、产品附加值高、原料成本低、可大规模工业化生产。
(5)本发明制备的二氧化硅气凝胶的比表面积最高能达到940.2m2/g，孔径范围为12～25nm，孔体积最高也能达到5.18cm3/g。制备的气凝胶为典型的高比表面积介孔材料，且质量也超过了大部分市面上售卖的二氧化硅气凝胶。
附图说明
图1为本发明所述二氧化硅气凝胶的制备流程图。
图2为长石矿物废料的XRD图。
图3为实施例1～5所述活化熟料的XRD衍射图，5:2、5:3、5:4、5:5和5：6分别为不同实施例中长石矿物废料与混碱质量比。
图4为实施例6～7得到的湿凝胶实物图，其中，左边的图对应实施例6，右边的图对应实施例7。
图5为实施例7制备的气凝胶实物图。
图6为实施例7制备的二氧化硅气凝胶的扫描电镜图(SEM)，其中，左边的图放大倍数为20k，左边的图放大倍数为50k。
图7为实施例7制备的二氧化硅气凝胶的N2吸附解吸及孔径分布图，其中，左边的图为N2吸附解吸图，右边的图为孔径分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例所述的长石矿物废料来源于采矿作业产生的尾矿废料。长石矿物废料的XRD图见图2，由图2可得废料主要物相为钾、钠长石及石英。
实施例1
一种以长石矿物废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，步骤如下：
(1)将长石矿物废料与混碱(无水碳酸钠与氢氧化钠质量比为1：1.2)按质量比为5：2混合，混合后按固液比为1g/2mL加入水，混合均匀后于80℃下预活化120min，而后再将预活化产物进行低温活化，活化条件为250℃，180min。然后将活化后的活化熟料研磨至180目后备用。
(2)取步骤(1)研磨后的活化熟料与去离子水按1g/4mL的比例混合，于80℃下恒温搅拌90min，搅拌速率为400r/min，水溶后过滤得第一滤液和第一滤渣备用。
(3)在步骤(2)中得到的第一滤渣中加入浓度为4mol/L的硫酸溶液，比例为1g/10mL，室温搅拌60min后抽滤得到酸溶渣，酸溶渣水洗干燥后得到第二滤渣，备用。
(4)将步骤(3)得到的第二滤渣加入氢氧化钠溶液中碱溶60min，氢氧化钠的浓度为1.5mol/L，温度为60℃，固液比为1g/20mL，搅拌速率为500r/min，碱溶后得到第三滤液，备用。
(5)将步骤(2)的第一滤液与步骤(4)的第三滤液混合，并向混合溶液中加入浓度为2mol/L的硫酸使其凝胶，向湿凝胶中加入去离子水，水没过湿凝胶，于45℃水浴老化，老化时间为2h。
(6)将老化的湿凝胶物理破碎，将破碎后的凝胶、甲醇、三甲基氯硅烷、硫酸(6mol/L)按体积比为1：4：2：0.5依次加入烧杯中，于水浴锅中恒温水浴搅拌60min，水浴温度为60℃，搅拌转速为600r/min。
(7)抽滤得到凝胶于60℃常压干燥24h得到疏水粉体二氧化硅气凝胶。
实施例2
在实施例1的基础上，将“矿物废料与混碱按质量比为5：2混合”修改为“矿物废料与混碱按质量比为5：3混合”，其他步骤不变。
实施例3
在实施例1的基础上，将“矿物废料与混碱按质量比为5：2混合”修改为“矿物废料与混碱按质量比为5：4混合”，其他步骤不变。
实施例4
在实施例1的基础上，将“矿物废料与混碱按质量比为5：2混合”修改为“矿物废料与混碱按质量比为5：5混合”，其他步骤不变。
实施例5
在实施例1的基础上，将“矿物废料与混碱按质量比为5：2混合”修改为“矿物废料与混碱按质量比为5：6混合”，其他步骤不变。
图3为实施例1～5所述活化熟料的XRD衍射图，从图3能够看出：当长石废料与混碱质量比(矿碱比)为5：2～3时，熟料中依旧含有未活化的钾、钠长石，当矿碱比大于等于5：4时，熟料中的钾、钠长石可得到完全活化，活化为硅酸钠和霞石，为后面废料提硅率的提升提供了有利条件。当然，影响提硅率的不仅仅只有矿碱比，还有活化时间以及活化温度。在此给出基于矿碱比、活化时间、活化温度设计的正交实验，结果如下表1所示。
表1正交实验参数一览表
| N0. | 温度(℃) | 矿碱比 | 时间(h) | 活化率(％) |
| 1 | 150 | 5:2 | 2 | 18.2 |
| 2 | 150 | 5:3 | 2.5 | 25.4 |
| 3 | 150 | 5:4 | 3 | 38 |
| 4 | 200 | 5:2 | 2.5 | 24 |
| 5 | 200 | 5:3 | 3 | 88.3 |
| 6 | 200 | 5:4 | 2 | 94 |
| 7 | 250 | 5:2 | 3 | 32 |
| 8 | 250 | 5:3 | 2 | 94 |
| 9 | 250 | 5:4 | 2.5 | 99.9 |
| k1 | 27.2 | 24.7 | 68.7 | 空白 |
| k2 | 68.8 | 69.2 | 49.8 | |
| k3 | 75.3 | 77.3 | 52.8 | |
| R | 48.1 | 52.6 | 18.9 |
其中，k1,k2,k3为该条件下活化率平均值，R为极差。
活化率＝(m矿粉-m碱溶渣)/m矿粉，m-质量。
根据正交实验得出：
(1)温度和碱矿比对长石废料活化率影响较大，时间对活化率影响较小。
(2)选择低温活化条件：活化温度200℃；矿碱质量比5：4；活化时间2h。
实施例6
一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，步骤如下：
(1)将长石矿物废料与混碱(无水碳酸钠与氢氧化钠质量比为1：1.2)按质量比为5：4混合，混合后按固液比为1g/2mL加入水，混合均匀后于80℃下预活化120min，而后再将预活化产物进行低温活化，活化条件为200℃，120min。然后将活化后的活化熟料研磨至180目后备用。
(2)取步骤(1)研磨后的活化熟料与去离子水按1g/4mL的比例混合，于80℃下恒温搅拌90min，搅拌速率为400r/min，水溶后过滤得第一滤液和第一滤渣备用。
(3)在步骤(2)中得到的第一滤渣中加入浓度为4mol/L的硫酸溶液，比例为1g/10ml，室温搅拌60min后抽滤得到酸溶渣，酸溶渣水洗干燥后得到第二滤渣，备用。
(4)将步骤(3)得到的第二滤渣加入氢氧化钠溶液中碱溶60min，氢氧化钠的浓度为1.5mol/L，温度为60℃，固液比为1g/20mL，搅拌速率为500r/min，碱溶后得到第三滤液，备用。
(5)将步骤(2)的第一滤液与步骤(4)的第三滤液混合，并向混合溶液中加入浓度为2mol/L的硫酸使其凝胶，向湿凝胶中加入去离子水，水没过湿凝胶，于45℃水浴老化，老化时间为1～2h。
(6)将老化的湿凝胶物理破碎，将破碎后的凝胶、甲醇、三甲基氯硅烷、硫酸(6mol/L)按体积比为1：4：2：0.5依次加入烧杯中，于水浴锅中恒温水浴搅拌60min，水浴温度为60℃，搅拌转速为600r/min。
(7)抽滤得到凝胶于60℃常压干燥24h得到疏水粉体二氧化硅气凝胶。
实施例7
一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，步骤如下：
(1)将长石矿物废料与混碱(无水碳酸钠与氢氧化钠质量比为1：1.2)按质量比为5：4混合，混合后按固液比为1g/2mL加入水，混合均匀后于80℃下预活化120min，而后再将预活化产物进行低温活化，活化条件为200℃，120min。然后将活化后的活化熟料研磨至180目后备用。
(2)取步骤(1)研磨后的活化熟料与去离子水按1g/4mL的比例混合，于80℃下恒温搅拌90min，搅拌速率为400/min，水溶后过滤得第一滤液和第一滤渣备用。
(3)在步骤(2)中得到的第一滤渣加入浓度为4mol/L的硫酸溶液，比例为1g/10ml，室温搅拌60min后抽滤得到酸溶渣，酸溶渣水洗干燥后得到第二滤渣，备用。
(4)将步骤(3)得到的第二滤渣加入氢氧化钠溶液中碱溶60min，氢氧化钠的浓度为1.5mol/L，温度为60℃，固液比为1g/20mL，搅拌速率为500r/min，碱溶后得到第三滤液，备用。
(5)将步骤(2)的第一滤液与步骤(4)的第三滤液混合，并向混合溶液中加入浓度为4mol/L的硫酸使其凝胶，向湿凝胶中加入去离子水，水没过湿凝胶，于45℃水浴老化，老化时间为1～2h。
(6)将老化的湿凝胶物理破碎，将破碎后的凝胶、甲醇、三甲基氯硅烷、硫酸(6mol/L)按体积比为1：4：2：0.5依次加入烧杯中，于水浴锅中恒温水浴搅拌60min，水浴温度为60℃，搅拌转速为600r/min。
(7)抽滤得到凝胶于60℃常压干燥24h得到疏水粉体二氧化硅气凝胶。
图4为实施例6～7得到的湿凝胶实物图，通过对比实施例6、7得到的凝胶，发现使用4mol/L硫酸催化溶胶凝胶得到的凝胶相比于用2mol/L硫酸催化得到的凝胶的结构更加致密，改性之后得到的凝胶性能也更优良。可能是由于单位体积内其二氧化硅分子密度更大使其水解缩合的效果更好，凝胶形成的三维网络结构更牢固的原因。实施例6～7制备的二氧化硅气凝胶的性能指标见表2。
表2实施例6～7制备的凝胶的性能指标一览表
| 样品 | 实例6 | 实例7 |
| 比表面积 | 641.8m2/g | 940.2m2/g |
| 孔径 | 18～30nm | 12～25nm |
| 孔体积 | 3.48cm3/g | 5.18cm3/g |
图5为本发明实施例7制备的气凝胶实物图，从图5能够看出：制备的二氧化硅气凝胶呈淡蓝色，符合二氧化硅气凝胶特征。
对使用本方案所制备的二氧化硅气凝胶(实例7)使用ASAP2020仪器进行全孔测试，其比表面积高达940.2m2/g，孔径多为12～25nm，孔体积也达到了5.18cm3/g，气凝胶的扫描电镜图(见图6)显示制备的二氧化硅气凝胶具有清晰的三维网状结构。气凝胶N2吸附解吸曲线图(见图7)可知其等温线为IV型吸附等温线。等温线中的滞后回线及孔径分布图表明气凝胶是介孔材料，其较宽的滞后回线也表明了样品具有较高的吸附容量。
本发明实施例制备的二氧化硅气凝胶中，效果好的实例可将矿物废料中硅质提取率提高到95％(对应表1中的活化率)；且所制备的气凝胶综合性能良好，比表面积最高能达940.2m2/g，孔径多为12～25nm，孔体积最高也能达到5.18cm3/g，为典型的高比表面积介孔材料，超过了使用常规原料制备的二氧化硅气凝胶的质量水平。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将长石废料、无水碳酸钠与氢氧化钠组成的混碱和水混合预活化后放入马弗炉中低温活化得到活化熟料，而后将活化熟料分散于水中，过滤得到第一滤渣和第一滤液；
(2)在第一滤渣中加入过量酸溶液后抽滤得到酸溶渣，水洗后干燥得到第二滤渣；
(3)在第二滤渣中加入氢氧化钠溶液进行碱溶，分离得到第三滤液和第三滤渣；
(4)将第一滤液与第三滤液混合，加酸溶液使其凝胶，老化得到湿凝胶；利用改性剂对其进行疏水改性，常压干燥即可。
2.根据权利要求1所述以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，
步骤(1)所述无水碳酸钠与氢氧化钠的质量比为1：1～2；
步骤(1)所述长石废料与混碱的质量比为5：2～6；
步骤(1)所述预活化的固液比为1g/2～3mL；
步骤(1)所述活化熟料和水的固液比为1g/2～5mL。
3.根据权利要求1或2所述以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，
步骤(1)所述预活化的温度为60～80℃；低温活化的温度为150～250℃；
步骤(1)所述预活化的时间为120～180min；低温活化的时间为120～180min。
4.根据权利要求3所述以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(1)所述活化熟料分散于水中，水的温度为60～90℃，分散后恒温搅拌60～120min。
5.根据权利要求1或2所述以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(2)所述酸溶液为乙酸、柠檬酸，硝酸和硫酸溶液中的一种；步骤(4)所述酸溶液为乙酸、柠檬酸，硝酸和硫酸溶液中的一种。
6.根据权利要求5所述以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(2)所述第一滤渣和酸溶液的固液比为1g/10～15mL；
步骤(3)所述氢氧化钠溶液的浓度为1～2mol/L，温度为60～80℃。
7.根据权利要求6所述以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(3)所述第二滤渣和氢氧化钠溶液的固液比为1g/20～30mL；
步骤(3)所述碱溶的搅拌速率为200～500r/min，时间为60～120min。
8.根据权利要求7所述以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(4)所述老化的方式为：向湿凝胶中加入去离子水，水没过湿凝胶，于40℃～80℃水浴老化；所述老化的时间为1～2h。
9.根据权利要求1或2所述以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，步骤(4)所述利用改性剂对其进行疏水改性的方式为：将破碎后的凝胶、醇溶剂、改性剂和酸溶液按一定体积比加入到烧杯于水浴锅中恒温水浴搅拌30～120min，水浴温度为50～80℃，其中，醇溶液、改性剂和酸溶液体积比为1：0.1～1：0.1～1，醇溶液、改性剂和酸溶液总体积与凝胶的体积比为1～10：1。
10.根据权利要求9所述以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，所述醇溶液为甲醇、丙醇、异丙醇和丁醇中的一种；改性剂为三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷和乙烯基三乙氧基硅烷中的一种；
步骤(4)所述干燥的温度为60～80℃，时间为12～24h。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410307231.0A CN118183761A (zh) | 2024-03-18 | 2024-03-18 | 一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410307231.0A CN118183761A (zh) | 2024-03-18 | 2024-03-18 | 一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118183761A true CN118183761A (zh) | 2024-06-14 |
Family
ID=91401644
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410307231.0A Pending CN118183761A (zh) | 2024-03-18 | 2024-03-18 | 一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118183761A (zh) |
-
2024
- 2024-03-18 CN CN202410307231.0A patent/CN118183761A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101244826B (zh) | 一种以稻壳为原料常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法 | |
| CN109133072B (zh) | 一种以铁尾矿为原料超快速制备疏水二氧化硅气凝胶的方法 | |
| CN101830474B (zh) | 白炭黑的制备方法 | |
| CN112408401B (zh) | 利用工业固废粉煤灰制备二氧化硅气凝胶的方法以及由该方法制备的二氧化硅气凝胶 | |
| CN101646622A (zh) | 制备疏水气凝胶的方法以及由其制备的疏水气凝胶 | |
| CN101259964B (zh) | 一种以稻壳灰为原料常压干燥制备高性能二氧化硅气凝胶的方法 | |
| CN107998996A (zh) | 一种硅铝复合气凝胶粉末的制备方法 | |
| CN102351507B (zh) | 一种以稻壳灰为原料制备纤维增强SiO2气凝胶的方法 | |
| WO2017185874A1 (zh) | 一种羟基硅油及其连续化制备方法 | |
| CN101224890A (zh) | 一种以无机矿物为原料制备二氧化硅气凝胶的方法 | |
| JP7098010B2 (ja) | シリカエアロゲルの調製方法 | |
| CN101244825A (zh) | 硅藻土为原料制备二氧化硅气凝胶的方法 | |
| CN103936018A (zh) | 一种常压干燥制备疏水性SiO2气凝胶的方法 | |
| CN108017062B (zh) | 疏水二氧化硅气凝胶及其制备方法 | |
| CN106115722A (zh) | 一种二氧化硅气凝胶的制备方法 | |
| CN109911906A (zh) | 一种利用锆冶金渣制备疏水二氧化硅的方法 | |
| CN109012517B (zh) | 一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法 | |
| CN109437211B (zh) | 一种高比表面积与高吸附voc型二氧化硅及其制备方法 | |
| CN105110339A (zh) | 一种低成本柔性二氧化硅气凝胶的制备方法 | |
| CN118183761A (zh) | 一种以长石废料为硅源制备粉体二氧化硅气凝胶的方法 | |
| CN1669921A (zh) | 以稻壳灰为原料常压干燥制备二氧化硅气凝胶的方法 | |
| CN105776967A (zh) | 一种纤维针刺毡增强偏铝酸钠改性的气凝胶的制备方法 | |
| CN104556961A (zh) | 一种高岭土制备硅铝气凝胶的方法 | |
| CN108929072B (zh) | 一种从铁尾矿制备氧化铁及纳米复合隔热保温材料的方法 | |
| CN111498857B (zh) | 二氧化硅气凝胶之制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |