[发明专利]一种以煤基固废为原料制备活性硅吸附材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及吸附材料的制备方法，尤其涉及一种以粉煤灰或煤矸石等煤基固废为原料制备活性硅多孔吸附材料的方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

长久以来，粉煤灰和煤矸石等煤基固废一直被认为是一种工业固体废弃物，每年约有5亿吨粉煤灰和6.5亿吨煤矸石产生，粉煤灰不能妥善处理会给环境带来很大的危害。近年来，我国对于粉煤灰的合理利用进行了不断地探索与开发，并取得了极大地成就。主要应用在以下几个方面：(1)粉煤灰在建筑工程中的应用。粉煤灰主要制品有：粉煤灰水泥、空心砌块，烧结陶粒、烧结砖、蒸压砖、高强度双免浸泡砖、钙硅板等。在建筑工程中，粉煤灰能代替部分水泥、石灰膏或砂，起提高和易性、粘聚性及密实度等作用。由粉煤灰制备而成的建材多具有多孔、轻质、防火性能好等特点。因此粉煤灰制品可用于各种墙体砌筑，也可用于填充“建筑间隙”或作保温、隔热垫层。(2)粉煤灰在农业方面的应用。粉煤灰颗粒松散多孔，其特殊结构决定了粉煤灰对土壤的改性具有显著效果。土壤掺入粉煤灰后，可促进土壤中微生物活性，改良土壤容重、空隙率、通气性、渗透率等性能。此外粉煤灰粒径小、流动性好，具有减少摩擦、改良土壤、提高粒肥的抗压强度的效能且利用粉煤灰可制成钙镁、硅钙、硅钾等复合肥。(3)粉煤灰在环保方面的应用。粉煤灰具有比表面积大、多孔和较强的吸附能力，且其中含有CaO、Al₂O₃等氧化物。因此，粉煤灰可用于烟气脱硫以及吸附污水中的悬浮物、脱除有色物质、除臭、除氟等。而且粉煤灰对采油废水COD和氨氮去除也具有良好的效果。(4)粉煤灰中回收金属。高铝粉煤灰中含有大量的铝、铁、镓等金属元素。我国对于粉煤灰中提取氧化铝技术已经日趋成熟，其中的磁性氧化铁则利用磁选机将其直接选出，对于金属镓的提取还处于研发阶段。通过对于粉煤灰中金属元素的回收利用不仅解决了我国金属矿供应短缺的问题且为我国循环经济产业的可持续提供了可能。

综上所述，虽然我国在粉煤灰利用上取得了长足的进步，但对于粉煤灰中的氧化硅的利用却仅局限于用作水泥熟料、石膏、无机填充物等，难以充分实现氧化硅的利用价值，造成资源的极大浪费。

另一方面，硅基吸附材料的制备与结构调控一直是化学及材料科学的焦点问题，水热合成具有规则微孔结构的分子筛技术已进入商业化生产并不断发展和完善；自1992年美国Mobil公司使用表面活性剂作为模板剂成功合成硅基介孔材料以来，模板法制备介孔材料及其结构调控迅速成为世界各国的研究热点，至今方兴未艾。但这些研究主要针对催化功能开发有序联通的孔结构，此类材料制备成本很高且并不适宜于作为吸附材料。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种通过粉煤灰或煤矸石等煤基固废制备活性硅吸附材料的方法，以实现粉煤或煤矸石等煤基固废的高值化利用。本发明具体给出如下技术方案：一种以煤基固废为原料制备活性硅吸附材料的方法，包括如下具体步骤：

(1)取聚丙烯腈(PAN)充分溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，配置成10％-15％的PAN／DMF溶液；

(2)取二氧化硅纳米颗粒溶解于PAN／DMF溶液中，充分搅拌、混合，其中PAN与二氧化硅颗粒的摩尔比为1：1-1：2；

(3)以铝箔为接收器并伴以高压电源进行纺丝；

(4)通过灼烧，去除纤维膜中的有机物，即得二氧化硅纤维；

(5)以金属镁或活性炭还原得到的二氧化硅纤维，然后使用5％-10％的稀盐酸，浸泡除杂制得活性硅吸附材料。

上述所用的二氧化硅纳米颗粒为粉煤灰或煤矸石等煤基固废碱浸提取制得，其具体制备步骤是：秤取一定量的粉煤灰，加入6mol／L-10mol／L的氢氧化钠溶液，保持固液比为1：2-1：3，加热并搅拌，反应1-2小时；抽滤，取滤液加以搅拌，并在搅拌的过程中加入约为溶质质量1％-5％的表面活性剂聚乙二醇，随后通入二氧化碳气体反应1-2小时；抽滤后取滤渣以5％-10％的盐酸淋洗至无气泡产生，真空干燥，制得二氧化硅纳米颗粒。

本发明通过溶胶凝胶法与电纺技术的结合，室温条件电纺，制备了二氧化硅／聚丙烯腈复合纳米纤维。随后伴以高温烧灼，得到二氧化硅纳米纤维，最后以镁或活性炭法还原得到活性硅吸附材料。

本发明的技术方案具有如下优点：

1、所用的二氧化硅纳米颗粒为粉煤灰或煤矸石等煤基固废碱浸提取制得，并且通过它与有高分子材料混合，随后伴以静电纺丝与高温灼烧制得了二氧化硅纳米纤维，最后以金属镁或活性炭还原得到活性硅吸附材料。