用含硅固废生产二氧化硅气凝胶

■ 信息来源：国家固废技术情报共享平台

       二氧化硅气凝胶由于具有较大的比表面积、大孔容、低体积密度和低导热系数等特点，可以应用于催化剂、透明隔热材料、薄膜、射电发光器件、药物释放系统等领域。二氧化硅气凝胶的生产一般采用溶胶-凝胶法工艺，以含硅矿物、含硅固废为硅源，经转化、合成、老化和干燥四个步骤制得。

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以粉煤灰或煤矸石为原料

　　粉煤灰或煤矸石经预处理后与氢氧化钠反应得到不同模数的水玻璃溶液，然后采用硫酸催化法及树脂交换碱催化法两种不同的工艺制备二氧化硅水凝胶。硫酸催化法利用硫酸溶液将水玻璃溶液的 pH 值调整到约为 10，经老化后得到二氧化硅水凝胶; 树脂交换碱催化法则将水玻璃溶液与离子交换树脂进行离子交换，去除Na+、Al3+和 Ca2+ 等杂质之后，离子交换树脂中的强酸阳离子H+ 与水玻璃溶液中的硅酸根离子结合得到 pH = 2 ～ 3 的硅酸溶液，再用氢氧化钠溶液将硅酸溶液的 pH 值调整到 5 ～ 6，经老化 后 得 到 二 氧 化 硅 水 凝 胶。最后用三甲基氯硅烷( TMCS) /乙醇( EtOH) /己烷的混合溶液对二氧化硅水凝胶进行表面改性，在常压条件下干燥得到二氧化硅气凝胶。研究表明，树脂交换碱催化法制备的气凝胶比硫酸催化法制备的气凝胶具有更均匀的介孔结构、更高的孔隙体积和比表面积，但硫酸催化法制备的二氧化硅气 凝胶的产率更高。干燥过程中毛细管应力的消除对获得多孔二氧化硅气凝胶结构至关重要，在常压干燥前通常采用去除孔隙中水分的方法来消除毛细应力，对水凝胶进行表面改性。

　　也可将粉煤灰或预处理后煤矸石与碱混合煅烧，使粉煤灰或预处理后煤矸石中的石英、莫来石、偏高岭石中的二氧化硅和非晶态二氧化硅转化为易溶于酸的硅酸钠和霞石相( NaAlSiO4 ) ，之后将煅烧产物与硫酸混合形成水凝胶。最后利用无水乙醇溶液进行溶剂交换，使水凝胶转化为醇凝胶，经己烷/EtOH/TMCS 混合溶液的表面改性和常压干燥后，得到了热稳定性高、疏水热稳定性达476℃、硅颗粒尺寸在3.6nm、硅胶接触角达到151°的二氧化硅气凝胶。

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以铜渣为原料

　　首先将硫酸与碳酸钠改性后的铜渣混合反应，过滤后得到硅溶胶，静置一段时间后形成硅凝胶。然后利用无水乙醇溶液进行溶剂交换，采用TMCS与正己烷的混合溶液进行表面改性，在常压干燥后制得了二氧化硅气凝胶。研究表明，当TMCS添加量为75%时，所得的二氧化硅气凝胶具有良好的疏水性和热稳定性；当TMCS的添加量较高时，会导致硅凝胶内部骨架坍塌，从而导致孔隙容积和比表面积都下降 。也可利用碳酸钠活化高岭土，采用盐酸滴定制备潮湿的硅溶胶，加入NH4OH使其迅速凝胶化，然后进行疏水化改性和干燥，制备疏水性二氧化硅气凝胶。研究表明，盐酸的浓度对气凝胶结构和性质的影响较大，当盐酸浓度从5mol/L降低到2mol/L时，将导致湿凝胶的含水量增加，使凝胶在干燥过程中不稳定，同时增加了干气凝胶的密度; 当盐酸浓度超过6mol/L时，气凝胶的密度也会增加。

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以硅锰渣或石棉尾矿或其它含硅固废料

制备二氧化硅气凝胶

　　首先将所述固废与酸反应，离解所含金属元素，再将离解金属元素后所得硅渣与碱反应制得不同模数的水玻璃，然后向水玻璃中加酸溶液使其直接凝胶化，或是水玻璃经过阳离子交换树脂后制得硅酸凝胶。老化阶段即处理形成的凝胶孔隙的水分，这个过程在室温下持续几个小时或几天，或在50 ～ 60 ℃ 下进行，这样可以显著缩短这一阶段的时间。凝胶的老化过程通常使用甲醇、乙醇等分子类醇来进行，当使用更高的醇类同系物( 如正丙醇、正丁醇、异丁醇或正戊醇) 时，合成的气凝胶拥有更好的参数。干燥阶段常采用超临界干燥或者常压干燥工艺，超临界干燥过程可以避免毛细应力和随之而来的干燥收缩，从而制得保持湿凝胶原有形状和结构的气凝胶。但由于高温高压的苛刻条件和有机溶剂的易燃性，超临界干燥具有很大的危险性，实践中采用常压干燥的方法，常压干燥设备简单、便宜，具有更广阔的前景。

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以稻壳炭或稻壳灰为原料

　　稻壳富含木质素、纤维素和半纤维素，稻壳经热裂解制得生物质燃料的同时又收得了稻壳炭，所述稻壳炭主要化学组成为二氧化硅和碳。稻壳经直接燃烧所产生的残余物为稻壳灰，主要化学组成为二氧化硅，含碳较低。二者经与氢氧化钠作用，所含二氧化硅转化为硅酸钠溶液，以所得硅酸钠溶液为硅源，经调整pH值、凝胶、改性、陈化、去离子水洗涤、再经冷冻、干燥制得疏水性二氧化硅气凝胶。在优化工艺条件下，所得气凝胶比表面积和控体积达到278.1m2/g和1.142cm3/g，水接触角为1280，热稳定温度为450℃，具有良好的疏水特性和热稳定性。

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结语

　　二氧化硅气凝胶用途广泛，附加值较高，每吨价格在10万元以上。利用含硅固废生产二氧化硅气凝胶可以获得良好的经济效益、环境效益和社会效益。

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