[发明专利]一种基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法，属于化工技术领域。

背景技术

我国是世界上稻壳资源最丰富的国家，占世界稻谷总产量的37％，居世界首位。现阶段，在我国所产生的稻壳一般用于燃烧供热或发电，对稻壳的利用过去一直偏向于作为能源，但在利用完之后仍然会残存大量的稻壳灰。稻壳灰中富含硅元素和碳元素，通常被视为农业废弃物而遭到丢弃，不但污染了环境，也造成了资源浪费。随着人们对环境以及生物质资源的重新认识，对稻壳灰的利用逐渐被重视了起来。现在已知的稻壳灰用途包括制备分子筛、活性炭、催化剂载体、高品质的二氧化硅等。

制备纳米级二氧化硅生产方法基本可分为气相法和液相法。气相法主要是卤化硅在氢氧火焰生成的水中进行高温水解制得。气相法的优点是产物纯度高且呈球形，分散性能好，表面羟基少，粒子细，因而具有良好的补强性能，但原料昂贵，能耗高，技术复杂，设备要求高，这些缺点限制了产品的应用。

另外液相法主要是酸沉淀法，通过酸化硅酸盐，获得分散疏松的二氧化硅纳米颗粒。目前主要酸沉淀法是硫酸酸化法，用酸沉淀法制备二氧化硅、生产技术、工艺、设备简单、原料来源广泛，生产成本低，但产品粒径大、活性较低、颗粒不易控制、亲和力较差、产品品质相对较低。

发明内容

本发明的目的旨在优化现有技术的不足，提供一种利用稻壳灰，同时能够缩短酸化反应时间制备高质量纳米二氧化硅的方法。本发明以稻壳灰为原料，采用超重力容器代替酸化搅拌反应釜，并在反应中加入表面活性剂，成本大大降低，不仅能缩短酸化反应时间，提高效率而且还能提高产品质量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法，包括以下步骤：

(1)向稻壳灰中加入酸溶液，使稻壳灰浸没于所述的酸溶液中，加热回流1～5小时，用水洗至中性后干燥得固体产物，所述酸的物质的量浓度为0.1～5mol/L；

(2)向步骤(1)所得固体产物加入碱性溶液，加热回流1～5小时，反应结束后，抽滤，并用热水洗涤，得到的滤液即为水玻璃溶液，保温备用，所述碱性溶液浓度为0.1～10mol/L；

(3)将表面活性剂加入到步骤(2)获得的水玻璃溶液中得到混合液，然后将混合液通入超重力旋转床，同时向超重力旋转床中通入气相沉淀剂，所得浆液保温，循环通入旋转床，直至有絮状沉淀生成；将所得浆液置于常温下陈化1～5h，然后过滤，所得滤饼洗涤至中性，干燥，粉碎后所得粉体即为二氧化硅纳米颗粒；所述气相沉淀剂为CO₂、CO₂与N₂混合气体或CO₂与空气的混合气体。

本发明步骤(1)中所述酸溶液的加入量以稻壳灰质量计为5～20mL/g。

进一步，本发明步骤(1)所述酸溶液为盐酸溶液、硫酸溶液或二者的混合物，所述混合酸中盐酸溶液与硫酸溶液的体积比为1:0.2～5。

进一步，本发明中步骤(2)中所述碱性溶液的加入量以固体产物的质量计为5～15mL/g。

再进一步，本发明步骤(2)中碱溶液为氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液或二者的混合碱性溶液，所述氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.1～10mol/L，所述碳酸钠溶液的物质的量浓度为0.1～5mol/L，所述混合碱性溶液中氢氧化钠溶液与碳酸钠溶液的体积比为1:0.1～10。

本发明所述盐酸溶液、硫酸溶液、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液都以水溶液的形式加入。

本发明步骤(2)中所述热水的温度为85～100℃。

通常，本发明步骤(2)中所述热水的加入体积用量与所述碱溶液体积用量相等。

进一步，本发明步骤(3)中所述超重力旋转床中混合液流量为5～60L/h，所述气相沉淀剂流量为1～10L/h。

进一步，本发明步骤(3)中所述气相沉淀剂为CO₂与N₂混合气体或CO₂与空气的混合气体时，CO₂体积分数为10～90％。

更进一步，本发明步骤(3)中所述表面活性剂为吐温-80、聚乙二醇-10000、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠(SDS)、六偏磷酸钠或十六烷基三甲基溴化铵。

再进一步，步骤(3)中所述表面活性剂在混合液中质量分数为0.05～5wt％。