[发明专利]一种由煤气化炉渣制备二氧化硅气凝胶的方法

说明书

本发明以煤气化过程中产生的废弃物——气化炉渣为原料，将其与助剂混合研磨，经活化、溶胶‑凝胶、快速干燥过程制备出具有高比表面积、低导热率、密度小的SiO₂气凝胶，实现了对固体废物的高附加值转化。本发明方法具有简便、低成本的特点，所得SiO₂气凝胶材料可应用于隔热、保温、介电、吸附、催化等领域。

技术领域：

本发明属于固体废弃物资源化、高附加值利用领域，特别涉及一种由煤气化炉渣制备二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术：

SiO₂气凝胶是已知的最轻纳米固体材料，内部呈网状结构，其99％成分由气体组成，被称为“冻结的烟”、“蓝烟”，具有大比表面积、高孔隙率、低密度、低导热系数等特点。基于以上性能，SiO₂气凝胶在保温隔热、隔音、信息传递、催化领域被广泛应用。

现今，制备SiO₂气凝胶的硅源主要分为无机硅源与有机硅源。有机硅源主要有：正硅酸甲酯(TMOS)，正硅酸乙酯(TEOS)和其他众多有机硅烷等。无机硅源有：硅酸钠(又名：水玻璃，Na₂SiO₃)，氧化硅(SiO₂)，稻壳灰等。有机硅源通常具有毒性，且价格比较昂贵；无机硅源具有来源广，价格低等特点。针对目前制备气凝胶所需周期长，操作复杂，成本高且产物结构与性能不易控制等问题，近年来，研究如何利用低成本的无机硅源为原料制备高性能的气凝胶已成为人们关注的焦点。

目前，SiO₂气凝胶制备方式主要有：专利201811193957.7中公开的利用SiO₂为硅源在超临界条件下成功制备泡沫气凝胶材料，其具有泡孔稳定性好且机械强度高的优点；专利201010205734.5中公开了利用TEOS和Na₂SiO₃在常温条件下制备出了具有超疏水性能的SiO₂气凝胶；专利201710750219.7中公开了利用硅源TEOS、TMOS、Na₂SiO₃通过冷冻干燥方式制备具有低热导率、高孔隙率的亲水性SiO₂气凝胶。可以看出，上述制备方法所需成本高、制备工艺复杂、周期长、效率低，因此有必要开发以廉价原料制备SiO₂气凝胶的简便方法。

气化炉渣是煤气化过程中排放的废弃物，是煤化工领域中排放量最大的固体废物，主要成分为C、SiO₂、Al₂O₃等。目前在煤化工领域中气化炉渣是一种废弃物，产量巨大且易污染环境。本发明利用气化炉渣作为制备SiO₂气凝胶的原料，实现了固体废物的高附加值转化。

本发明方法包括活化、溶胶-凝胶、老化、快速干燥步骤，具有简便、周期短、效率高的特点。

发明内容：

本发明提供了一种由煤气化炉渣制备二氧化硅气凝胶的方法，利用固体废弃物——煤气化炉渣，制备出一种高比表面积、低导热系数的SiO₂气凝胶材料，制备方法简单、成本低廉。

本发明的技术解决措施如下：一种由煤气化炉渣制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤：

步骤一、利用煤气化过程所排放的废弃物作为硅源，所述废弃物为气化炉渣，将气化炉渣与助剂以一定的质量比混合后进行研磨，使它们充分接触，并在炉渣表面造成机械缺陷从而产生活化点；

步骤二、将研磨后的炉渣混合物在空气气氛中高温煅烧得到气化炉渣烧结物。在煅烧过程中气化炉渣中的Si-O-Si、Si-O-Al键会发生断裂，且炉渣中的碳组分将被除去，所得气化炉渣烧结物易于发生水解反应、缩聚反应；

步骤三、将气化炉渣烧结物与足量的水混合，在室温搅拌下加入不同浓度的盐酸或氨水，充分搅拌后静置，除去体系中不溶物，随后对溶液进行加热，蒸发出水分，促使溶液由溶胶相向凝胶相转变；