[发明专利]一种以煤矸石为硅源的块体二氧化硅气凝胶及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于二氧化硅气凝胶研究技术领域，是一种以煤矸石为硅源的块体二氧化硅气凝胶及其制备方法以及在水体表面油污治理方面的应用。

背景技术

煤矸石是成煤过程中与煤伴生的一种含碳量低的黑色岩石，是在煤炭开采和洗选过程中产生的固体废弃物。煤矸石的堆存会带来占地、污染等一系列问题。煤矸石的有效利用是解决这些问题的重要途径。资料显示，目前煤矸石的综合利用途径包括煤矸石发电、填埋、筑路、充填采空区、生产水泥和轻集料等建材在内的粗放型应用。从煤矸石回收有益矿产及提铝残渣生产水玻璃及白炭黑等化工产品虽受鼓励，但占比非常小，且附加值较低。

气凝胶是一种结构可控的多孔轻质材料，它是目前已知质量最轻的固体物质。其中，SiO₂气凝胶是一种以纳米量级粒子相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料，它具有极高的比表面积、低密度、低热导率和低声速，在隔热、隔声、吸附、催化剂载体等领域具有广泛的前景。用于制备SiO2气凝胶的原料通常为四甲氧基硅烷(TMOS)、正硅酸乙酯(TEOS)、多聚硅氧烷和工业水玻璃等，但是这些原料尤其是硅烷类价格较为昂贵，其中部分原料如TMOS毒性很大，且采用的超临界干燥技术较为复杂、设备成本高和危险性大，制约了其大规模商业化生产和应用。因此，寻找廉价硅源、制备过程采用常压干燥工艺成为近年来SiO2气凝胶制备研究的热点。但目前利用常压干燥工艺制备出的气凝胶往往存在强度低、成形性差等缺点，制约了其应用。

发明内容

为了克服现有二氧化硅气凝胶在应用过程中的不足，本发明提供了一种以煤矸石为硅源、密度低、疏水性好且呈块体结构，可悬浮于含油废水吸取表面油污，易于回收的块体二氧化硅气凝胶。

本发明还提供了上述块体二氧化硅气凝胶的制备方法以及其在水体表面油污治理方面的应用。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种以煤矸石为硅源的块体二氧化硅气凝胶，该块体二氧化硅气凝胶呈乳白色块体，密度为0.0948-0.0966g/m³，润湿接触角不小于90°。

进一步限定，所述块体二氧化硅气凝胶的吸油率可达500％。

上述的以煤矸石为硅源的块体二氧化硅气凝胶的制备方法由以下步骤组成：

(1)煤矸石的活化

把煤矸石块粉碎、研磨至200目以下，在300-1100℃的高温条件下煅烧1-3h；

(2)水浸+酸浸联合提取煤矸石中的铝

取步骤(1)锻烧后的煤矸石，用超纯水水浸10-15min，抽滤并用超纯水洗涤，烘干水浸残渣，得到的水浸残渣，用浓度为6-7moL/L的盐酸在90-99℃的条件下浸取3-3.5h，抽滤，干燥，收集备用；

(3)硅酸钠溶液的提取制备

向步骤(2)收集的干燥的残渣中加入0.5-6moL/L的氢氧化钠，在75-80℃条件下加热搅拌3.5-4h，抽滤并用超纯水洗涤，蒸发至溶液体积为蒸发前体积的22％左右，收集备用；

(4)加酸凝胶

以正硅酸乙酯为前驱体向步骤(3)收集的硅酸钠溶液中加入乙二醇和乙酰胺，硅酸钠与乙二醇和乙酰胺的摩尔比为1:0.9-1.1:1.9-2.1，再向溶液中边搅拌边加酸至pH为7-8，待溶液由澄清变成雾白色状态，停止搅拌和加酸，静置8-10分钟，待倾斜45°液面不流动时，成胶完成，得到湿凝胶，将湿凝胶静置老化24-30h；

(5)置换改性

将老化后的湿凝胶用超纯水洗涤，在六甲基二硅醚中浸泡3-4天，再用体积比为1:5-6的三甲基氯硅烷和六甲基二硅醚混合液对凝胶进行表面改性至少24h，用无水乙醇洗涤，干燥，制得二氧化硅块体气凝胶。

进一步限定，步骤(4)中所加酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸或乙酸。

进一步限定，步骤(5)中的干燥方法为：将无水乙醇洗涤后所得改性凝胶放入鼓风干燥箱内，用60℃、70℃分级干燥，各干燥24-30h。

进一步限定，步骤(5)中的干燥方法为：将无水乙醇洗涤后所得改性凝胶放入真空干燥箱中68-72℃干燥24-48h。

上述的以煤矸石为硅源的块体二氧化硅气凝胶在水体表面油污治理方面的应用，具体使用方法为：将上述的以煤矸石为硅源的块体二氧化硅气凝胶投放在油污污染的水体表面，静置一段时间，利用二氧化硅气凝胶的亲油疏水的特性对油污进行充分吸附，将吸附饱和的块体二氧化硅气凝胶打捞起来，完成水体的油污治理。