[发明专利]一种利用粉煤灰脱硅液制备二氧化硅气凝胶的方法

说明书

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域，涉及一种粉煤灰与二氧化碳协同利用制备高性能材料的方法，尤其涉及一种利用粉煤灰脱硅液制备二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

粉煤灰主要产生于燃煤电厂，排放量巨大，其大量堆存导致了大气、水体和土壤的严重污染。近年来，国内外普遍开展了粉煤灰高值化利用研究，形成了粉煤灰提取氧化铝、制备莫来石耐火材料、石油压裂支撑剂等多条技术路线。这些工艺中均涉及到粉煤灰预脱硅过程，不可避免的产生了大量高碱性脱硅液，主要成分为硅酸钠和氢氧化钠，以脱硅液为原料碳化法制备高附加值的二氧化硅气凝胶联产超细碳酸钙是硅资源高值化利用的一种重要途径，且该路线目前尚未见报道。

二氧化硅气凝胶是一种新型的多孔材料，密度极低，孔隙率较高，其固相体积仅占总体积的0.13％～10％，理论热导率仅为0.007W/(m K)，使得气凝胶固相热传导非常有限，是一种非常理想的绝热材料。针对二氧化硅气凝胶的制备，现有报道主要以有机硅盐或无机硅盐为原料，采用溶胶凝胶法，经超临界干燥或常压干燥制备得到，具体报道可见CN 102642841A，CN 103333542A，CN 103435320A，CN 1654324A，CN 101224890A等专利。

以粉煤灰为原料制备气凝胶的专利则相对较少，CN102515182A公开了一种粉煤灰和硅藻土复合制备SiO₂气凝胶方法，所述方法包括粉煤灰和硅藻土的中温机械活化、SiO₂溶胶制备、湿凝胶制备、母液老化、一步溶剂交换表面改 性和常压干燥六个步骤；CN101538046A公开了一种利用粉煤灰同时制备SiO₂气凝胶和沸石的方法，所述方法为：先将粉煤灰进行高温活化处理，再与氢氧化钠水溶液进行水热合成反应，用一定浓度的硫酸对水玻璃进行催化，或者将溶液进行阳离子交换树脂交换后再进行碱催化处理，获得SiO₂凝胶，用醇类/烷烃类溶剂及三甲基氯硅烷混合溶液对水凝胶进行溶剂替换/表面改性处理后，在常压干燥条件下获得SiO₂气凝胶。用粉煤灰与NaOH反应后过滤所得的滤渣进一步与NaOH反应即可合成粉煤灰沸石。但是，在这些方法中，二氧化硅的溶胶凝胶化过程均采用无机酸作为反应原料，这会形成大量的无机盐废液，此部分废液与二氧化硅气凝胶分离后，无法有效利用，易造成二次污染。

发明内容

针对二氧化硅气凝胶制备过程中原材料成本高、工艺复杂、大量无机盐废液无法利用的问题，，发明的目的在于提供一种利用粉煤灰脱硅液制备二氧化硅气凝胶的方法，所述方法以廉价易得的固体废弃物-粉煤灰脱硅液为原料，协同二氧化碳资源化利用，制备二氧化硅气凝胶，可避免大量无机盐废液的产生，具有成本低廉，无二次污染，条件温和，易于工业化生产等优点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用粉煤灰脱硅液制备二氧化硅气凝胶的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将粉煤灰脱硅液与二氧化碳气体在温度为0-90℃的条件下进行碳化反应，得到二氧化硅湿凝胶；

(2)将二氧化硅湿凝胶老化，之后，将老化后的湿凝胶进行溶剂置换，得到置换液和置换后的湿凝胶；

(3)置换后的湿凝胶经后处理得到二氧化硅气凝胶。

步骤(1)所述碳化反应在温度为0-90℃，如5℃、10℃、15℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃或80℃等条件下进行。温度高容易破坏形成的气凝胶结构，降低其主要性能指标，温度低则不易形成气凝胶结构。

本发明提供的二氧化硅气凝胶的制备方法将主要成分为硅酸钠和氢氧化钠的粉煤灰脱硅液碳化形成二氧化硅湿凝胶；湿凝胶老化后，进行充分的溶剂置换；溶剂置换后的湿凝胶采用表面改性-溶剂置换-常压干燥的方法得到高性能二氧化硅气凝胶。所述方法可以避免大量无机盐废液的产生，具有成本低廉，条件温和，易于工业化生产，能够实现在脱硅液资源化利用的同时，实现二氧化碳协同利用，从而为粉煤灰中硅资源化利用途径的扩展提供了基础。

步骤(1)所述二氧化碳气体为纯二氧化碳或二氧化碳与惰性气体的混合气。

优选地，所述混合气中二氧化碳与惰性气体的体积比(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。