一种以铸造渣为原料制备的超疏水性氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种以铸造渣为原料制备的超疏水性氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法与应用，属于氧化硅气凝胶技术领域。本发明专利技术要解决现有方法出现纳米颗粒分散不均匀、团聚等现象，使得气凝胶产品抗拉伸性能较弱的问题。本发明专利技术通过二氧化硅溶胶中的Si

【技术实现步骤摘要】
一种以铸造渣为原料制备的超疏水性氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于氧化硅气凝胶
，具体涉及一种超疏水性氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]铸造渣是机械铸造行业生产活动中产生的一种大宗固体废弃物，如果未经妥善处置直接丢弃环境中，将产生重大且不可预测的环境污染。然而，铸造渣中富含氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化铁(Fe2O3)等潜在的可回收资源，约占铸造渣成分的70％～95％。因此，如果铸造渣处置不当，将造成严重的环境污染与资源浪费。
[0003]气凝胶是一种独特的多孔纳米型材料，凭借其优异的高比表面积、高孔隙率、低密度和隔热性能，在石油化工、工业设备及建筑隔热涂料等领域具有十分广阔的应用前景。同时，作为一种吸附剂，气凝胶被广泛用于污水中二价铜Cu(II)和三价铬Cr(III)等重金属离子的去除。以铸造渣为原料制备气凝胶，既可以实现铸造渣废弃物的回收再利用，又可用于环境中污染物的去除，将是一种兼具环境、资源与经济可行的可持续发展途径。
[0004]二氧化硅气凝胶凭借其优异的性能成为目前应用最广的气凝胶之一。传统的二氧化硅气凝胶以单一类型为主，通过溶胶
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凝胶、老化、酸化和干燥等步骤制备而成，然而制得的气凝胶产品存在强度低、脆性大、高温隔热能力差等缺陷。由于氧化铝比二氧化硅表现出更佳的耐高温、耐腐蚀、机械强度高和绝缘等优异性能，是二氧化硅气凝胶功能互补的最佳材料选择。然而，氧化铝表面铝离子配位不饱和，其表面氢键作用极易吸附环境中的水分而形成有机羟基官能团,导致氧化铝气凝胶稳定性下降。对氧化铝表面进行硅改性可以减少氧化铝表面水合位点，达到抑制水吸附的效果。因此，从铸造渣中回收硅和铝元素制备复合气凝胶，在二氧化硅气凝胶制备过程中引入氧化铝，以此互相弥补单一二氧化硅气凝胶和氧化铝气凝胶存在的结构缺陷是一种可行的技术途径。
[0005]目前，氧化铝
‑
氧化硅气凝胶复合材料研发是气凝胶
的主要研究方向，成为众多研究者的关注热点。在已公开的专利中(CN113716572A)，将二氧化硅气凝胶浸渍铝溶胶混合液中形成外铝
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内硅的气凝胶复合形式，有利于提高气凝胶的网络骨架结构，降低气凝胶结构坍塌风险。为了获得结构性能更好的氧化铝
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氧化硅气凝胶，研究者(CN113831103A、CN101792299A、CN112592150A)制备过程中添加红外遮光剂、增强纤维和无机陶瓷纤维等措施，从而提高氧化铝
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氧化硅气凝胶复合材料的耐高温(可达1200℃)和力学性能。在此基础上，有专利(CN105801156A)进一步根据电荷平衡制备出比表面积和球形度高的多孔氧化铝
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氧化硅气凝胶小球，从而展现出不同的污染物吸附、隔热等性能，更有利于根据实际需求快速选择气凝胶类型。氧化铝
‑
氧化硅气凝胶的形成，关键在于前驱体水解和水解产物缩聚两个步骤。当前氧化铝
‑
氧化硅气凝胶的制备，主要选取丙醇铝、硝酸铝和仲丁醇铝作为铝源，而硅源以水玻璃、正硅酸乙酯和正硅酸丁酯等为主。在水解过程，前驱体电离与水发生反应，从而引入有机羟基官能团导致氧化硅表面形成硅羟基(Si
‑
OH)，而
在氧化铝表面形成铝羟基(Al
‑
OH)。然而，凝胶孔洞表面Si
‑
OH会相互结合，导致气凝胶产品发生缩聚，且Si
‑
OH作为一种亲水性功能基团，因吸收环境中的水分而导致结构开裂，这些缺陷在最近公开的专利中被广泛报道(CN115093197A、CN114835128A)。而水解产物缩聚后形成的氧化铝
‑
氧化硅气凝胶，其网络结构上会出现纳米颗粒分散不均匀、团聚等现象，使得气凝胶产品抗拉伸性能较弱。这些功能缺陷对于制备高性能的疏水性氧化铝
‑
氧化硅气凝胶复合材料存在极大挑战。
[0006]鉴于目前氧化铝
‑
氧化硅气凝胶存在的问题，严重阻碍了其在实际工程中的广泛应用与推广。因此，亟需一种新的制备方法对现有氧化铝
‑
氧化硅气凝胶产品进行优化改进，以获得结构和性能优越的疏水性氧化铝
‑
氧化硅气凝胶。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种超疏水性氧化铝
‑
氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法和应用，通过二氧化硅溶胶中的Si
‑
OH基团与氧化铝溶胶中的Al
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OH相互作用形成一层致密的Al
‑
O
‑
Si结构,以此减少Si
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OH同时消除氧化铝表面有机羟基官能团；接着，向氧化铝
‑
氧化硅气凝胶体系中引入铁元素，通过此方法调节材料磁性控制气凝胶内部纳米粒子的分散均匀度；含单质铁的复合气凝胶最为一种性能优异的还原剂，最后用于实际污水中Cu(II)和三价铬Cr(III)等污染物的去除。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]本专利技术以铸造渣为原料制备的超疏水性氧化硅气凝胶复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：
[0010]步骤1,铸造渣中SiO2、Al2O3和Fe2O3提取
[0011]步骤2，SiO2溶胶配置：
[0012]SiO2溶胶以步骤1从铸造渣中提取的SiO2为硅源，分别加入醇、超纯水和酸性催化剂，调配氧化硅、醇、超纯水、酸催化剂摩尔比为1:(1～20):(1～10):(1～10
×
10
‑
5)
，然后进行搅拌30～60分钟，并静置2～5小时，即得到SiO2溶胶；
[0013]步骤3，Al2O3溶胶配置：
[0014]Al2O3溶胶以步骤1从铸造渣中提取的Al2O3为铝源，分别加入醇、超纯水和螯合剂，调配氧化铝、醇、超纯水、螯合剂摩尔比为1:(5～30):(0.1～1):(0～0.3)，将配置的混合溶液在水浴60℃～80℃环境下恒温搅拌至少60分钟，形成澄清透明溶胶并冷却至室温，即得到Al2O3溶胶；
[0015]步骤4，SiO2‑
Al2O3溶胶制备：
[0016]将配置的SiO2溶胶与Al2O3溶胶混合，并加入催化剂，然后持续搅拌，制得SiO2‑
Al2O3溶胶
[0017]步骤5，SiO2‑
Al2O3溶胶凝胶、老化和干燥：添加凝胶催化剂进行搅拌，并调节pH使凝胶缩聚，于室温下静置后形成SiO2‑
Al2O3凝胶，然后老化，干燥，得到SiO2‑
Al2O3气凝胶材料；
[0018]步骤6，SiO2‑
Fe
‑
Al2O3复合气凝胶制备：
[0019]Fe2O3溶胶以步骤1从铸造渣中提取的Fe2O3为铁源，加入超纯水，调配氧化铁、超纯水质量比为(1～4)：(4～15)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以铸造渣为原料制备的超疏水性氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法，其特征在于所述制备方法是通过下述步骤实现的：步骤1、提取铸造渣中SiO2、Al2O3和Fe2O3；步骤2、用步骤1提取SiO2配置SiO2溶胶；步骤3、用步骤1提取Al2O3配置Al2O3溶胶；步骤4、将配置的SiO2溶胶与Al2O3溶胶混合，并加入催化剂，然后持续搅拌，制得SiO2‑
Al2O3溶胶；步骤5、添加凝胶催化剂进行搅拌，并调节pH使凝胶缩聚，于室温下静置后形成SiO2‑
Al2O3凝胶，然后老化，干燥，得到SiO2‑
Al2O3气凝胶材料；步骤6、以步骤1提取的Fe2O3为铁源，加入超纯水，再溶于无水乙醇中然后转移至水浴锅内，搅拌加热后，冷却至室温，即得到Fe2O3溶胶，然后干燥后的SiO2‑
Al2O3凝胶在Fe2O3溶胶中浸渍，然后经过静置凝胶反应、老化和常压干燥，SiO2‑
Fe2O3‑
Al2O3气凝胶块体；步骤7、然后加热，同时通入氢气进行还原，即得到SiO2‑
Fe
‑
Al2O3复合气凝胶。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤1中铸造渣中的SiO2通过助溶剂低温焙烧提取；铸造渣中的Al2O3通过酸溶进行提取；铸造渣中的Fe2O3从酸浸出溶液中提取。3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤2中SiO2溶胶配置方法如下：以步骤1从铸造渣中提取的SiO2为硅源，分别加入醇、超纯水和酸性催化剂，调配氧化硅、醇、超纯水、酸催化剂摩尔比为1:(1～20):(1～10):(1～10
×
10
‑5)，然后进行搅拌30～60分钟，并静置2～5小时，即得到SiO2溶胶；其中，步骤2中醇为无水乙醇、甲醇以及正丁醇中的一种，酸催化剂为的盐酸、硫酸以及草酸中的一种，将溶液pH调控为3～6；步骤3中Al2O3溶胶配置方法如下以步骤1从铸造渣中提取的Al2O3为铝源，分别加入醇、超纯水和螯合剂，调配氧化铝、醇、超纯水、螯合剂摩尔比为1:(5～30):...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，焦怡萌，董子阳，尹琳琳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：