本發(fā)明涉及無機氧化物加工，更具體的說是一種低溫熔煉法提取硅資源的方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氣凝膠是一種99.8％都為空氣的固體物質(zhì)，是世界上密度最小的固體之一。本發(fā)明中涉及到的即為二氧化硅氣凝膠，其具有密度低、比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)點，這種被稱為“改變世界的神奇材料”在航空航天、工業(yè)保溫、建筑材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。sio2氣凝膠最初是在20世紀(jì)30年代產(chǎn)生的，但隨后幾十年的研究進展緩慢，后來得益于溶膠-凝膠技術(shù)的復(fù)興而發(fā)展迅猛。目前，二氧化硅氣凝膠基本都是通過溶膠-凝膠方法制備的。并且大多數(shù)情況下會選擇硅醇鹽作為前驅(qū)體，例如teos、tmos等，通過硅醇鹽的水解和縮聚形成相互交聯(lián)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但選擇硅醇鹽作為前驅(qū)體存在成本高、藥品毒性等問題，這也是目前限制該行業(yè)發(fā)展的主要原因之一。使用無機硅源作為原料，可以在一定程度上克服有機硅源成本高、有毒性的缺點。

2、工業(yè)微硅粉中的sio2呈非晶態(tài)無定型結(jié)構(gòu)，含量高達90％-95％，與晶態(tài)sio2比較，其化學(xué)反應(yīng)活性更高，加之粒度細小，表面積大，易與堿反應(yīng)生成水玻璃。因此，在理論上存在著制備高孔隙率、高比面積的sio2氣凝膠的可能性。以微硅粉為原料制備sio2氣凝膠的方法，如專利cn110642257a、cn102795631a均采用微硅粉與氧化鈣在800℃以上的高溫下進行煅燒，仍存在耗能大，生產(chǎn)周期長，運營成本偏高等問題，不適合于大批量生產(chǎn)和工業(yè)化應(yīng)用。

3、非離子型表面活性劑可以通過降低二氧化硅表面水的表面張力，增強二氧化硅顆粒在水中的分散性，使得堿能更均勻地接觸到二氧化硅顆粒表面，從而加速二氧化硅與naoh的化學(xué)反應(yīng)，加快反應(yīng)歷程并縮短反應(yīng)時間，可以進一步的降低生產(chǎn)成本。

4、因此，如何提供一種通過低溫堿性熔煉制備高性能二氧化硅氣凝膠的方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種低溫熔煉法提取硅資源的方法及其應(yīng)用。本發(fā)明采用價格低廉、來源豐富的微硅粉為原料，并添加一定量的表面活性劑來增強原料的分散性，提高反應(yīng)活性。同時，在常壓干燥條件下實現(xiàn)了低密度高疏水氣凝膠的制備。

2、本發(fā)明目的之一，提供一種低溫熔煉法提取硅資源的方法，具體步驟如下：

3、s11.混料：將含硅原料與堿按一定比例混合，加入一定量的表面活性劑溶液，攪拌均勻；

4、s12.熔煉：將混料產(chǎn)物低溫熔煉，冷卻后粉碎；

5、s13.溶解：向熔煉產(chǎn)物中加入去離子水，水浴溶解；

6、s14.抽濾：溶解完成后，抽濾分離出濾液，即得水玻璃溶液。

7、優(yōu)選的，s11中，所述硅原料中的sio2含量為80％以上，所述硅原料與所述堿的質(zhì)量比為1:1.0～1.8；所述表面活性劑溶液與所述硅原料和堿的液固比為0.1～1.5ml/g。

8、進一步優(yōu)選的，所述硅原料選自微硅粉、煤矸石、粉煤灰任一種或幾種；所述堿為naoh；所述表面活性劑包括但不限于陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑及非離子表面活性劑。

9、進一步優(yōu)選的，所述表面活性劑溶液為聚氧乙烯烷基醚的水溶液。

10、進一步優(yōu)選的，所述表面活性劑溶液中聚氧乙烯烷基醚的質(zhì)量分數(shù)為0.025％。

11、優(yōu)選的，s12中，所述低溫熔煉為300～550℃，熔煉10～90min。

12、優(yōu)選的，s13中，所述熔煉產(chǎn)物與所述去離子水的固液比為1:2.5～5；所述水浴為80～100℃溶解50～70min。

13、本發(fā)明目的之二，一種制備高性能二氧化硅氣凝膠的方法，包括以下步驟：

14、s21.根據(jù)低溫熔煉法提取硅資源的方法制備水玻璃溶液；

15、s22.先加入稀鹽酸調(diào)節(jié)所述水玻璃溶液的ph值，充分攪拌形成均勻溶膠，再加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶膠的ph值，靜置12h以上，得到凝膠；

16、s23.將凝膠在55℃水浴中老化12～24h，破碎、洗滌數(shù)次；

17、s24.抽濾收集濾渣，將濾渣浸入無水乙醇中進行溶劑交換，得到醇凝膠；

18、s25.將醇凝膠浸入三甲基氯硅烷與正己烷的混合溶液中進行改性，改性完成后加入正己烷進行溶劑交換；

19、s26.抽濾、收集濾渣，在80～150℃常壓干燥4～7h，即得高性能二氧化硅氣凝膠。

20、優(yōu)選的，步驟s22中，所述稀鹽酸的濃度為2～5mol/l，調(diào)節(jié)ph至2～7；所述氫氧化鈉溶液的濃度為1～1.5mol/l。調(diào)節(jié)ph至6～9。

21、優(yōu)選的，s24中，所述溶劑交換為10～14h。

22、優(yōu)選的，s25中，所述三甲基氯硅烷與所述正己烷的體積比為1:7～12，所述改性時間為24h，所述溶劑交換時間為6～96h。

23、本發(fā)明目的之三，提供一種高性能二氧化硅氣凝膠，二氧化硅氣凝膠的密度在0.068～0.113g/cm3，孔隙率在94.86％以上，在400℃以內(nèi)擁有良好的熱穩(wěn)定性和使用性能。

24、本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：通過采用表面活性劑降低二氧化硅表面的水的表面張力，增強二氧化硅顆粒在水中的分散性，使得堿能更均勻地與二氧化硅顆粒表面接觸，從而加速二氧化硅與naoh發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加快反應(yīng)歷程并縮短反應(yīng)時間，實現(xiàn)低溫堿性熔煉制備高性能二氧化硅氣凝膠的目標(biāo)，進一步降低生產(chǎn)成本。

25、經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

26、(1)成本低廉。本發(fā)明以工業(yè)固廢微硅粉等為原料，替代了價格昂貴、且有一定毒性的有機硅源，同時用常壓干燥代替超臨界干燥，使整個工藝對設(shè)備的要求大大降低，提高了安全性的同時也降低了成本。

27、(2)較之現(xiàn)有的同類技術(shù)，本發(fā)明進行了進一步的改進提升，選用堿性更強的氫氧化鈉顆粒，同時加入少量的純水是為了使原料可以進行充分的接觸反應(yīng)，無需800℃以上的高溫進行煅燒。且加入的少量水在升溫階段即會蒸發(fā)掉，這一點又從根本上區(qū)別于濕法制備。

28、(3)添加表面活性劑，增強了二氧化硅顆粒在水中的分散性，使得堿與二氧化硅顆粒的接觸更加均勻，從而加速兩者的反應(yīng)速率與程度，這使得反應(yīng)溫度進一步降低，反應(yīng)時間進一步縮短，極大地降低了生產(chǎn)成本。

29、(4)增加了工業(yè)固廢的回收利用率，減少了對環(huán)境的污染。

技術(shù)特征：

1.一種低溫熔煉法提取硅資源的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種低溫熔煉法提取硅資源的方法，其特征在于，s11中，所述硅原料中的sio2含量為80％以上，所述硅原料與所述堿的質(zhì)量比為1:1.0～1.8；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種低溫熔煉法提取硅資源的方法，其特征在于，所述硅原料包括微硅粉、煤矸石、粉煤灰中的任一種或幾種；所述堿為naoh；所述表面活性劑包括但不限于陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑及非離子表面活性劑。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種低溫熔煉法提取硅資源的方法，其特征在于，s12中，所述低溫熔煉為300～550℃，熔煉10～90min。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種低溫熔煉法提取硅資源的方法，其特征在于，s13中，所述熔煉產(chǎn)物與所述去離子水的固液比為1:2.5～5；所述水浴為80～100℃溶解50～70min。

6.一種低溫熔煉法提取硅資源的應(yīng)用，其特征在于，包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低溫熔煉法提取硅資源的應(yīng)用，其特征在于，步驟s22中，所述稀鹽酸的濃度為2～5mol/l，調(diào)節(jié)ph至2～7；所述氫氧化鈉溶液的濃度為1～1.5mol/l。調(diào)節(jié)ph至6～9。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低溫熔煉法提取硅資源的應(yīng)用，其特征在于，s24中，所述溶劑交換為10～14h。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低溫熔煉法提取硅資源的應(yīng)用，其特征在于，s25中，所述三甲基氯硅烷與所述正己烷的體積比為1:7～12，所述改性時間為24h，所述溶劑交換時間為6～96h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種低溫熔煉法提取硅資源的方法及其應(yīng)用，涉及無機氧化物加工技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明以微硅粉等為原料，添加少量的表面活性劑以增加其分散性并加快反應(yīng)歷程，在堿性環(huán)境下通過低溫熔煉提取其中的硅資源，并利用溶膠?凝膠法和常壓干燥來制備二氧化硅氣凝膠。低溫熔煉在300～550℃下進行，能耗低、環(huán)境污染小，無需800℃以上的高溫進行煅燒，且加入的少量水在升溫階段即會蒸發(fā)掉，這一點又從根本上區(qū)別于濕法制備。本發(fā)明為探索工業(yè)固廢的高值化利用開辟了新的思路。

技術(shù)研發(fā)人員：李菲,喬健
受保護的技術(shù)使用者：蘭州理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19