[發明專利]一種利用粉煤灰脫硅液制備二氧化硅氣凝膠的方法

在審

• 申請號: 201610041531.4
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN106986346A
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 李會泉;朱干宇;王興瑞
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: C01B33/158
• 分類號: C01B33/158;C01F11/18
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 鞏克棟,侯瀟瀟

技術領域

本發明屬于固體廢棄物資源化利用技術領域，涉及一種粉煤灰與二氧化碳協同利用制備高性能材料的方法，尤其涉及一種利用粉煤灰脫硅液制備二氧化硅氣凝膠的方法。

背景技術

粉煤灰主要產生于燃煤電廠，排放量巨大，其大量堆存導致了大氣、水體和土壤的嚴重污染。近年來，國內外普遍開展了粉煤灰高值化利用研究，形成了粉煤灰提取氧化鋁、制備莫來石耐火材料、石油壓裂支撐劑等多條技術路線。這些工藝中均涉及到粉煤灰預脫硅過程，不可避免的產生了大量高堿性脫硅液，主要成分為硅酸鈉和氫氧化鈉，以脫硅液為原料碳化法制備高附加值的二氧化硅氣凝膠聯產超細碳酸鈣是硅資源高值化利用的一種重要途徑，且該路線目前尚未見報道。

二氧化硅氣凝膠是一種新型的多孔材料，密度極低，孔隙率較高，其固相體積僅占總體積的0.13％～10％，理論熱導率僅為0.007W/(m K)，使得氣凝膠固相熱傳導非常有限，是一種非常理想的絕熱材料。針對二氧化硅氣凝膠的制備，現有報道主要以有機硅鹽或無機硅鹽為原料，采用溶膠凝膠法，經超臨界干燥或常壓干燥制備得到，具體報道可見CN 102642841A，CN 103333542A，CN 103435320A，CN 1654324A，CN 101224890A等專利。

以粉煤灰為原料制備氣凝膠的專利則相對較少，CN102515182A公開了一種粉煤灰和硅藻土復合制備SiO₂氣凝膠方法，所述方法包括粉煤灰和硅藻土的中溫機械活化、SiO₂溶膠制備、濕凝膠制備、母液老化、一步溶劑交換表面改 性和常壓干燥六個步驟；CN101538046A公開了一種利用粉煤灰同時制備SiO₂氣凝膠和沸石的方法，所述方法為：先將粉煤灰進行高溫活化處理，再與氫氧化鈉水溶液進行水熱合成反應，用一定濃度的硫酸對水玻璃進行催化，或者將溶液進行陽離子交換樹脂交換后再進行堿催化處理，獲得SiO₂凝膠，用醇類/烷烴類溶劑及三甲基氯硅烷混合溶液對水凝膠進行溶劑替換/表面改性處理后，在常壓干燥條件下獲得SiO₂氣凝膠。用粉煤灰與NaOH反應后過濾所得的濾渣進一步與NaOH反應即可合成粉煤灰沸石。但是，在這些方法中，二氧化硅的溶膠凝膠化過程均采用無機酸作為反應原料，這會形成大量的無機鹽廢液，此部分廢液與二氧化硅氣凝膠分離后，無法有效利用，易造成二次污染。

發明內容

針對二氧化硅氣凝膠制備過程中原材料成本高、工藝復雜、大量無機鹽廢液無法利用的問題，，發明的目的在于提供一種利用粉煤灰脫硅液制備二氧化硅氣凝膠的方法，所述方法以廉價易得的固體廢棄物-粉煤灰脫硅液為原料，協同二氧化碳資源化利用，制備二氧化硅氣凝膠，可避免大量無機鹽廢液的產生，具有成本低廉，無二次污染，條件溫和，易于工業化生產等優點。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

一種利用粉煤灰脫硅液制備二氧化硅氣凝膠的方法，所述方法包括如下步驟：

(1)將粉煤灰脫硅液與二氧化碳氣體在溫度為0-90℃的條件下進行碳化反應，得到二氧化硅濕凝膠；

(2)將二氧化硅濕凝膠老化，之后，將老化后的濕凝膠進行溶劑置換，得到置換液和置換后的濕凝膠；

(3)置換后的濕凝膠經后處理得到二氧化硅氣凝膠。

步驟(1)所述碳化反應在溫度為0-90℃，如5℃、10℃、15℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃或80℃等條件下進行。溫度高容易破壞形成的氣凝膠結構，降低其主要性能指標，溫度低則不易形成氣凝膠結構。

本發明提供的二氧化硅氣凝膠的制備方法將主要成分為硅酸鈉和氫氧化鈉的粉煤灰脫硅液碳化形成二氧化硅濕凝膠；濕凝膠老化后，進行充分的溶劑置換；溶劑置換后的濕凝膠采用表面改性-溶劑置換-常壓干燥的方法得到高性能二氧化硅氣凝膠。所述方法可以避免大量無機鹽廢液的產生，具有成本低廉，條件溫和，易于工業化生產，能夠實現在脫硅液資源化利用的同時，實現二氧化碳協同利用，從而為粉煤灰中硅資源化利用途徑的擴展提供了基礎。

步驟(1)所述二氧化碳氣體為純二氧化碳或二氧化碳與惰性氣體的混合氣。

優選地，所述混合氣中二氧化碳與惰性氣體的體積比(0.01-100):1，如0.02:1、0.05:1、0.08:1、0.1:1、0.5:1、1:1、5:1、10:1、30:1、50:1、80:1或95:1等。