一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法技术

本发明专利技术公开了一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，包括以下步骤：铁尾矿粉末与氢氧化钠颗粒混合，于高温下进行碱溶反应，冷却后与水混合，加热搅拌，过滤，滤液与水玻璃溶液混合均匀，通过强酸性阳离子交换树脂进行离子交换，离子交换后的混合液中滴入氨水溶液调节pH，待形成块状凝胶后，再浸入凝胶老化液中静置老化后捞出，得湿溶胶，所得湿溶胶依次经改性液进行表面改性和正己烷进行溶剂交换后，进行常压干燥，即得所述复合型硅基气凝胶。发明专利技术采用铁尾矿等固体废弃物为原料，价格低廉，制备条件温和，对设备要求不高，易于工业化；所制备的复合型硅基气凝胶振实密度0.175g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法
本专利技术属于无机材料
，具体涉及一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法。
技术介绍
铁尾矿是选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分。我国现有8000多个国营矿山和11万多个乡镇集体矿山，堆存的尾矿量近50亿吨，年排出尾矿量高达5亿吨以上。目前我国铁尾矿的综合利用率很低，不足20%，而且大都用来作为建筑填充料，其高端产品很少，主要是由于制备工艺复杂、反应条件苛刻等因素，使之无法大量生产。缺乏对于高附加值产品的研究，铁尾矿不能得到有效的利用。气凝胶的制备主要由溶胶-凝胶过程和后处理过程组成。溶胶-凝胶过程是指化合物在溶液中水解缩合成胶液，然后除去溶剂形成凝胶。后处理是指在溶胶-凝胶聚合后，经过老化、防开裂、干燥等一系列步骤得到性能独特的气凝胶。最初制备气凝胶的后处理是采用超临界干燥方法；超临界干燥有着安全系数低、条件苛刻等缺点，限制了气凝胶材料的产业化和大规模应用。以正硅酸乙酯(TEOS)作为制备硅气凝胶的前驱体采用常压干燥法制备气凝胶，但正硅酸乙酯也有着价格较为昂贵的缺点。现有硅基气凝胶的制备，不仅原料价格昂贵，而且干燥条件苛刻，大大限制其工业生产。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其有着原料来源广泛、成本低廉，制备条件温和，易于大规模生产等优点，通过本专利技术的方法制备了高附加值的复合型硅基气凝胶。所述的一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其特征在于包括以下步骤：1）铁尾矿粉末与氢氧化钠颗粒混合，在马弗炉中加热至400~500℃下保持2~3h，冷却至室温，冷却后的混合物与水混合，加热搅拌，过滤后收集滤液，得到粗硅溶液；2）步骤1）所得粗硅溶液与水玻璃溶液混合均匀后，通过强酸性阳离子交换树脂进行离子交换，离子交换后的混合液中滴加入氨水溶液调至pH值为7~7.5，静置待形成块状凝胶，再浸入凝胶老化液中，于室温下静置20~25h后，将块状凝胶从凝胶老化液中捞出，得湿溶胶；3）步骤2）所得湿溶胶浸入改性液中静置16~20h，进行凝胶表面疏水改性后，将湿溶胶从改性液中捞出；4）步骤3）捞出后的湿溶胶浸入正己烷中静置10~16h进行溶剂交换，以将湿凝胶孔道中残存的改性液置换出来，再将湿溶胶从正己烷中捞出后，进行常压干燥，即得所述复合型硅基气凝胶。所述的一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其特征在于铁尾矿粉末的目数为100目以上；所述铁尾矿的成分包括SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3。所述的一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其特征在于步骤1）中，铁尾矿粉末与氢氧化钠颗粒的质量比为1:1.4~2.2；所述冷却后的混合物的质量与水的体积的比为1:3~6，质量的单位为g，体积的单位为mL，加热搅拌的温度为70~85℃。所述的一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其特征在于步骤2）中，粗硅溶液与水玻璃溶液的体积比为6~8：1。所述的一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其特征在于步骤2）中，凝胶老化液为由无水乙醇和正硅酸乙酯构成的混合液；所述凝胶老化液中，无水乙醇和正硅酸乙酯的体积比为8~12：1，优选为10：1。所述的一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其特征在于步骤4）中，常压干燥的方法为：于60~80℃下干燥3~6h后，再于110~130℃下干燥2~4h。所述的一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其特征在于步骤4）制得的复合型硅基气凝胶的振实密度为0.162~0.175g/cm3，孔隙率为93~95%，平均孔径为25~40nm。相对于现有技术，本专利技术取得的有益效果是：1）本专利技术采用铁尾矿等固体废弃物为原料，价格低廉，来源广泛。大量处理了铁尾矿，提取尾矿中的硅、铝元素制备了高附加值的复合型硅基气凝胶，一方面减少了对环境的影响，同时提高了尾矿回收利用率，符合绿色环保要求；2）本专利技术提供了一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，包括：对铁尾矿与氢氧化钠在马弗炉中加热，进行直接碱溶操作，将其中的硅、铝元素提取出来，然后溶于水中，制成含硅酸钠的粗硅溶液作为廉价硅源；所得粗硅溶液中加入少量水玻璃溶液进行补充硅源，增加溶液中的硅含量，使得形成的网络结构更密集且强度更高；强酸性阳离子交换树脂可以将溶液中存在的Na+离子交换为H+去除无机盐，以防止凝胶后孔道中大量存在无机盐影响常压干燥的效果，将强酸性阳离子交换树脂填充到交换柱中，粗硅溶液和水玻璃溶液的混合液在交换柱中通过树脂就可以完成离子交换，然后滴入氨水调节pH；对块状凝胶通过老化、表面改性、溶剂交换等操作：老化可以增强块状凝胶的结构强度；表面改性是使凝胶表面附着大量甲基使凝胶由亲水性变为疏水性，为了在干燥时降低液体表面张力对凝胶孔道结构的影响，也可以将孔道内的水进一步排出，在干燥过程中保持良好的结构，通过表面疏水改性进一步减少孔道中溶剂干燥时对于整体结构的影响；溶剂交换可以将孔道内大部分水置换为表面张力较小的正己烷；通过上述过程，使凝胶成为可以在常压下进行干燥，避免了超临界干燥中反应条件苛刻，能耗大等缺点。本专利技术提供的复合型硅基气凝胶制备条件温和，对设备要求不高，日常能耗较小，合理利用固体废弃物，降低成本，易于工业化；3）本专利技术制备的气凝胶有着较强的疏水性能，在应用过程中可以有效的阻止水进入孔道中导致气凝胶孔道坍塌。附图说明图1是本专利技术工艺流程图；图2是本专利技术实施例1中制得的复合型硅基气凝胶的SEM图；图3是本专利技术实施例1中制得的复合型硅基气凝胶的FTIR分析图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。以下实施例和比较例中，铁尾矿的组分质量百分含量如下：SiO245.43%、CaO13.81%、MgO13.10%、Al2O311.35%、Fe2O310.13%，余量为杂质；水玻璃溶液的质量浓度为25%~27%（水玻璃溶液为硅酸钠水溶液）。强酸性阳离子交换树脂为D-62大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，将强酸性阳离子交换树脂填充入交换柱中，混合液流入交换柱，通过强酸性阳离子交换树脂进行离子交换，混合液从交换柱流出后，再经氨水溶液调节pH。实施例1：一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，包括以下步骤：1）铁尾矿粉碎，取目数为100目以上的铁尾矿粉末与氢氧化钠颗粒按质量比1：1.4进行混合，在马弗炉中加热至400℃下保持2h进行碱溶反应，冷却至室温后与水按固液比为1：3进行混合（即冷却后的铁尾矿与氢氧化钠的整体混合物与水混合，以下等同，固液比的单位为g/mL），于70℃下加热搅拌20h，过滤后收集滤液，得到粗硅溶液；2）步骤1）所得粗硅溶液按体积比6:1与水玻璃溶液混合均匀（加入水玻璃溶液是为补充硅源），通过D-62大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂进行离子交换，离子交换后的混合液中滴加入0.5mol/L的氨水溶液调至pH值为7，静置待形成块状凝胶，再浸入凝胶老化液中（所述凝胶老化液为无水乙醇与正硅酸乙酯按体积比8:1构成的混合液），于室温下静置20h后，将块状凝胶从凝胶老化液中捞出，得湿溶胶；3）步骤2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其特征在于包括以下步骤：1）铁尾矿粉末与氢氧化钠颗粒混合，在马弗炉中加热至400~500℃下保持2~3h，冷却至室温，冷却后的混合物与水混合，加热搅拌，过滤后收集滤液，得到粗硅溶液；2）步骤1）所得粗硅溶液与水玻璃溶液混合均匀后，通过强酸性阳离子交换树脂进行离子交换，离子交换后的混合液中滴加入氨水溶液调至pH值为7~7.5，静置待形成块状凝胶，再浸入凝胶老化液中，于室温下静置20~25h后，将块状凝胶从凝胶老化液中捞出，得湿溶胶；3）步骤2）所得湿溶胶浸入改性液中静置16~20h，进行凝胶表面疏水改性后，将湿溶胶从改性液中捞出；4）步骤3）捞出后的湿溶胶浸入正己烷中静置10~16h进行溶剂交换，以将湿凝胶孔道中残存的改性液置换出来，再将湿溶胶从正己烷中捞出后，进行常压干燥，即得所述复合型硅基气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其特征在于包括以下步骤：1）铁尾矿粉末与氢氧化钠颗粒混合，在马弗炉中加热至400~500℃下保持2~3h，冷却至室温，冷却后的混合物与水混合，加热搅拌，过滤后收集滤液，得到粗硅溶液；2）步骤1）所得粗硅溶液与水玻璃溶液混合均匀后，通过强酸性阳离子交换树脂进行离子交换，离子交换后的混合液中滴加入氨水溶液调至pH值为7~7.5，静置待形成块状凝胶，再浸入凝胶老化液中，于室温下静置20~25h后，将块状凝胶从凝胶老化液中捞出，得湿溶胶；3）步骤2）所得湿溶胶浸入改性液中静置16~20h，进行凝胶表面疏水改性后，将湿溶胶从改性液中捞出；4）步骤3）捞出后的湿溶胶浸入正己烷中静置10~16h进行溶剂交换，以将湿凝胶孔道中残存的改性液置换出来，再将湿溶胶从正己烷中捞出后，进行常压干燥，即得所述复合型硅基气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种以铁尾矿为原料制备复合型硅基气凝胶的方法，其特征在于铁尾矿粉末的目数为100目以上；所述铁尾矿的成分包括SiO2、CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3。3.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建国，宋鑫，包志康，杨骏，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33