本發(fā)明涉及礦產(chǎn)固廢利用和輕質(zhì)多孔硅基材料，尤其涉及一種以二氧化碳為調(diào)節(jié)劑的礦產(chǎn)固廢原料生產(chǎn)氧化硅氣凝膠的方法。
背景技術(shù)：
1、硅元素是半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵原料，自然界的硅資源主要以氧化硅形式存在，氧化硅轉(zhuǎn)化為硅大量耗能，因此要求資源硅的品位很高，但自然礦產(chǎn)的氧化硅雖量大、通常品位很低如其它元素的礦產(chǎn)生產(chǎn)中產(chǎn)出的大宗固廢就包含了低品位氧化硅，一般進行簡單填埋或鋪路等用途，經(jīng)濟價值低、消耗量受限，未能消耗的礦產(chǎn)固廢大量堆積、侵占土地、污染環(huán)境。硅基氣凝膠是一種新型的多孔硅材料，高比表面積、高孔隙率和低導(dǎo)熱系數(shù)，在保溫、催化、吸聲、生物醫(yī)學(xué)、吸附等領(lǐng)域顯示出廣泛應(yīng)用潛力，尤其是在建筑保溫領(lǐng)域，氧化硅膠氣凝膠的低導(dǎo)熱和輕量化特性將產(chǎn)生宏量規(guī)模的應(yīng)用潛力，對節(jié)能、降低自重、減少鋼材耗量意義重大，將在建材行業(yè)形成革命性影響；同時，其獨特的微孔結(jié)構(gòu)也使之成為化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)良載體，擔(dān)載催化劑將大幅度提高反應(yīng)效果、節(jié)能減排。發(fā)展這一未來新興材料涉及宏量氧化硅原料供應(yīng)，采用昂貴純硅源限制了其更加廣泛的應(yīng)用，礦產(chǎn)固廢提供的氧化硅源即成為有希望原料供給渠道；同時，傳統(tǒng)的硅氣溶膠技術(shù)流程冗長、涉及無機強酸應(yīng)用、易產(chǎn)生化學(xué)污染，大大增加了硅氣溶膠的生產(chǎn)成本較高且高碳排放。目前尚無礦產(chǎn)固廢原料出發(fā)的氧化硅氣凝膠生產(chǎn)技術(shù)，因此，規(guī)?；玫V產(chǎn)固廢中的氧化硅成分發(fā)展未來的硅氣溶膠產(chǎn)業(yè)既直接降低了生產(chǎn)成本、推進其宏量和廣泛應(yīng)用，同時將實現(xiàn)節(jié)能減，并有效降低礦產(chǎn)固廢容量、促礦產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是提供一種以二氧化碳為調(diào)節(jié)劑的礦產(chǎn)固廢原料生產(chǎn)氧化硅氣凝膠的方法，本發(fā)明提出的方法可高效、低污染地從礦產(chǎn)固廢中提取氧化硅原料、同時利用過程自身產(chǎn)出二氧化碳以減少無機酸應(yīng)用、后繼算污染治理和過程碳排放，一步高效脫水形成氧化高性能硅氣凝膠，過程余熱服務(wù)于脫水耗能，較好的實現(xiàn)固廢的高值化利用的同時實現(xiàn)節(jié)能減排和高效率利用固廢。
2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：
3、一種以二氧化碳為調(diào)節(jié)劑的礦產(chǎn)固廢原料生產(chǎn)氧化硅氣凝膠的方法，包括如下步驟：
4、(1)礦產(chǎn)固廢活化浸出氧化硅：在溫度200℃～1500℃，壓力0.1～10mpa下，含硅的礦產(chǎn)固廢與強堿弱酸鹽溶液或強堿溶液反應(yīng)，以活化解構(gòu)礦產(chǎn)固廢中的氧化硅，得到含有氧化硅的液相產(chǎn)物和含有二氧化碳的氣相產(chǎn)物；在溫度25℃～500℃，壓力0.1～10mpa下，將液相產(chǎn)物浸入水中溶出解構(gòu)的氧化硅得到含有氧化硅溶膠的溶液；
5、(2)二氧化碳調(diào)節(jié)酸堿度：在溫度20℃～180℃，壓力0.1～10mpa下，向步驟(1)中獲得的含有氧化硅溶膠的溶液中通入步驟(1)得到的二氧化碳，調(diào)節(jié)含有氧化硅溶膠的溶液ph在1～12，形成氧化硅凝膠和強堿碳酸鹽溶液的混合物；
6、(3)一步置換強堿碳酸鹽：在溫度20℃～200℃，壓力0.1～10mpa下向步驟(2)混合物中同時加入不溶于水的溶劑a與溶于水且溶于溶劑a的溶劑b，置換出氧化硅凝膠中的強堿碳酸鹽溶液，氧化硅凝膠干燥獲得氧化硅氣凝膠。氧化硅氣溶膠是一種大孔隙率、低導(dǎo)熱性、極小密度的新材料。
7、步驟(1)中的固廢解構(gòu)活化為高效提取氧化硅創(chuàng)造條件，后繼水浸處理助力提高氧化硅收率。步驟(2)中的二氧化碳是來自步驟(1)產(chǎn)生的碳排放，進入硅溶膠形成強堿碳酸鹽；如果生成的強堿碳酸鹽不循環(huán)返回步驟(1)，便起到固碳作用。步驟(3)中的置換出堿碳酸鹽溶液對形成性能較好的氧化硅氣凝膠創(chuàng)造條件，置換后氧化硅凝膠可直接干燥獲得氣凝膠。
8、本發(fā)明構(gòu)建了礦產(chǎn)固廢活化浸出氧化硅、二氧化碳調(diào)節(jié)酸堿度、固定二氧化碳、一步置換強堿碳酸鹽、硅基氣溶膠制備等技術(shù)路線，提高了過程能效和產(chǎn)品產(chǎn)值，大規(guī)模消耗利用了礦產(chǎn)固廢，提高了資源利用效率，對環(huán)境生態(tài)和碳減排意義重大。
9、優(yōu)選地，步驟(1)所述的含硅的礦產(chǎn)固廢與強堿弱酸鹽溶液或強堿溶液的質(zhì)量比為1～5：1，所述的強堿弱酸鹽溶液或強堿溶液的質(zhì)量分數(shù)為5％-100％，100％是指涉及物質(zhì)水溶液的飽和狀態(tài)、飽和溶液。進一步優(yōu)選，所述的礦產(chǎn)固廢與強堿弱酸鹽溶液或強堿溶液的質(zhì)量比為1～3：1。
10、優(yōu)選地，步驟(1)所述的活化解構(gòu)礦產(chǎn)固廢中的氧化硅的條件為：溫度450℃～1200℃，壓力0.1～1.0mpa；氧化硅溶膠形成條件為：溫度80℃～150℃，壓力0.1～0.6mpa。
11、優(yōu)選地，步驟(1)所述的含硅的礦產(chǎn)固廢包括煤基固廢和廢棄尾礦，所述的煤基固廢選自粉煤灰、煤泥、煤矸石和氣化渣中的一種以上，所述的廢棄尾礦選自鐵礦渣、煉鋼煉鐵渣、錳礦渣、鎢礦渣、鋁業(yè)赤泥和復(fù)合伴生礦渣中的一種以上。
12、優(yōu)選地，步驟(1)所述的強堿弱酸鹽為堿金屬的碳酸鹽或堿土金屬的碳酸鹽，所述的強堿為堿金屬的強堿或堿土金屬的強堿。
13、進一步優(yōu)選，步驟(1)所述的強堿弱酸鹽為碳酸鈉或碳酸鉀，所述的強堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
14、優(yōu)選地，步驟(2)所述的調(diào)節(jié)酸堿度條件為：溫度20℃～80℃，壓力0.1～0.6mpa，調(diào)節(jié)氧化硅溶膠ph在5～8。
15、優(yōu)選地，步驟(3)所述的反應(yīng)條件為：溫度80℃～160℃，壓力0.2～3mpa。
16、優(yōu)選地，步驟(3)所述的溶劑a是表面張力小的正己烷、正庚烷或六甲基二硅氧烷，溶劑b是乙腈、乙醇或甲醇，溶劑a與溶劑b的質(zhì)量比為2～20：1。溶劑b是兩親性溶劑。溶劑a和溶劑b為化學(xué)純或工業(yè)級的純物質(zhì)原料，一般工業(yè)級純度在95-99.9％，化學(xué)純達99.99％。
17、優(yōu)選地，步驟(3)所述的干燥條件為：溫度-20℃～500℃。
18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
19、(1)本發(fā)明以通常含有高占比氧化硅的礦產(chǎn)固廢中經(jīng)活化步驟提取氧化硅并形成氧化硅溶膠，利用活化過程產(chǎn)生的二氧化碳調(diào)節(jié)氧化硅溶膠的酸堿度，節(jié)省常規(guī)應(yīng)用無機酸成本且回避酸根離子的后繼污染；進一步在養(yǎng)護中對氧化硅溶膠構(gòu)造氧化硅微觀形貌形成其凝膠形態(tài)，最終一步法置換凝膠中弱堿碳酸鹽并干燥，即可得到氧化硅氣凝膠產(chǎn)品。
20、(2)本發(fā)明提出的氧化硅氣凝膠具有發(fā)達孔結(jié)構(gòu)、高比表面積和優(yōu)良隔熱性能，可以作為高性能隔熱保溫材料及催化劑載體等，廣泛應(yīng)用于建材、交通、新材料、文旅等新興產(chǎn)業(yè)。本發(fā)明以礦產(chǎn)固廢作為硅源，過程自發(fā)二氧化碳作為調(diào)節(jié)劑，避免了無機酸消耗、后繼酸根污染，降低微毒性有機硅應(yīng)用，提高資源利用率，對礦產(chǎn)固廢兼容減量，服務(wù)于宏大的節(jié)能減碳目標(biāo)。
1.一種以二氧化碳為調(diào)節(jié)劑的礦產(chǎn)固廢原料生產(chǎn)氧化硅氣凝膠的方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的含硅的礦產(chǎn)固廢與強堿弱酸鹽溶液或強堿溶液的質(zhì)量比為1～5：1，所述的強堿弱酸鹽溶液或強堿溶液的質(zhì)量分數(shù)為5％-100％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的活化解構(gòu)礦產(chǎn)固廢中的氧化硅的條件為：溫度450℃～1200℃，壓力0.1～1.0mpa；氧化硅溶膠形成條件為：溫度80℃～150℃，壓力0.1～0.6mpa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的含硅的礦產(chǎn)固廢包括煤基固廢和廢棄尾礦，所述的煤基固廢選自粉煤灰、煤泥、煤矸石和氣化渣中的一種以上，所述的廢棄尾礦選自鐵礦渣、煉鋼煉鐵渣、錳礦渣、鎢礦渣、鋁業(yè)赤泥和復(fù)合伴生礦渣中的一種以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的強堿弱酸鹽為堿金屬的碳酸鹽或堿土金屬的碳酸鹽，所述的強堿為堿金屬的強堿或堿土金屬的強堿。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(1)所述的強堿弱酸鹽為碳酸鈉或碳酸鉀，所述的強堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)所述的調(diào)節(jié)酸堿度條件為：溫度20℃～80℃，壓力0.1～0.6mpa，調(diào)節(jié)氧化硅溶膠ph在5～8。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述的反應(yīng)條件為：溫度80℃～160℃，壓力0.2～3mpa。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述的溶劑a是正己烷、正庚烷或六甲基二硅氧烷，溶劑b是乙腈、乙醇或甲醇，溶劑a與溶劑b的質(zhì)量比為2～20：1。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述的干燥條件為：溫度-20℃～500℃。