一种基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法制造技术

本发明专利技术涉及一种基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法。该方法以稻壳灰为原料，采用超重力容器代替酸化搅拌反应釜，并在反应中加入表面活性剂，成本大大降低，不仅能缩短酸化反应时间，提高效率而且还能提高产品质量。所得二氧化硅纯度高，颗粒粒径小且分布均匀，可广泛应用于催化剂、添加剂等领域，具有良好的前景。

Method for preparing nano silicon dioxide nano particle based on rice husk ash

The invention relates to a method for preparing silica nano particles based on rice husk ash. The method of using rice husk ash as raw material, using high gravity container instead of acidification reactor, and adding surfactant in the reaction, the cost is greatly reduced, can not only shorten the acidification reaction time, improve efficiency and improve product quality. The obtained silica has the advantages of high purity, small particle size and uniform distribution, and can be widely used in the fields of catalysts, additives, etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法，属于化工

技术介绍
我国是世界上稻壳资源最丰富的国家，占世界稻谷总产量的37％，居世界首位。现阶段，在我国所产生的稻壳一般用于燃烧供热或发电，对稻壳的利用过去一直偏向于作为能源，但在利用完之后仍然会残存大量的稻壳灰。稻壳灰中富含硅元素和碳元素，通常被视为农业废弃物而遭到丢弃，不但污染了环境，也造成了资源浪费。随着人们对环境以及生物质资源的重新认识，对稻壳灰的利用逐渐被重视了起来。现在已知的稻壳灰用途包括制备分子筛、活性炭、催化剂载体、高品质的二氧化硅等。制备纳米级二氧化硅生产方法基本可分为气相法和液相法。气相法主要是卤化硅在氢氧火焰生成的水中进行高温水解制得。气相法的优点是产物纯度高且呈球形，分散性能好，表面羟基少，粒子细，因而具有良好的补强性能，但原料昂贵，能耗高，技术复杂，设备要求高，这些缺点限制了产品的应用。另外液相法主要是酸沉淀法，通过酸化硅酸盐，获得分散疏松的二氧化硅纳米颗粒。目前主要酸沉淀法是硫酸酸化法，用酸沉淀法制备二氧化硅、生产技术、工艺、设备简单、原料来源广泛，生产成本低，但产品粒径大、活性较低、颗粒不易控制、亲和力较差、产品品质相对较低。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在优化现有技术的不足，提供一种利用稻壳灰，同时能够缩短酸化反应时间制备高质量纳米二氧化硅的方法。本专利技术以稻壳灰为原料，采用超重力容器代替酸化搅拌反应釜，并在反应中加入表面活性剂，成本大大降低，不仅能缩短酸化反应时间，提高效率而且还能提高产品质量。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法，包括以下步骤：(1)向稻壳灰中加入酸溶液，使稻壳灰浸没于所述的酸溶液中，加热回流1～5小时，用水洗至中性后干燥得固体产物，所述酸的物质的量浓度为0.1～5mol/L；(2)向步骤(1)所得固体产物加入碱性溶液，加热回流1～5小时，反应结束后，抽滤，并用热水洗涤，得到的滤液即为水玻璃溶液，保温备用，所述碱性溶液浓度为0.1～10mol/L；(3)将表面活性剂加入到步骤(2)获得的水玻璃溶液中得到混合液，然后将混合液通入超重力旋转床，同时向超重力旋转床中通入气相沉淀剂，所得浆液保温，循环通入旋转床，直至有絮状沉淀生成；将所得浆液置于常温下陈化1～5h，然后过滤，所得滤饼洗涤至中性，干燥，粉碎后所得粉体即为二氧化硅纳米颗粒；所述气相沉淀剂为CO2、CO2与N2混合气体或CO2与空气的混合气体。本专利技术步骤(1)中所述酸溶液的加入量以稻壳灰质量计为5～20mL/g。进一步，本专利技术步骤(1)所述酸溶液为盐酸溶液、硫酸溶液或二者的混合物，所述混合酸中盐酸溶液与硫酸溶液的体积比为1:0.2～5。进一步，本专利技术中步骤(2)中所述碱性溶液的加入量以固体产物的质量计为5～15mL/g。再进一步，本专利技术步骤(2)中碱溶液为氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液或二者的混合碱性溶液，所述氢氧化钠溶液的物质的量浓度为0.1～10mol/L，所述碳酸钠溶液的物质的量浓度为0.1～5mol/L，所述混合碱性溶液中氢氧化钠溶液与碳酸钠溶液的体积比为1:0.1～10。本专利技术所述盐酸溶液、硫酸溶液、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液都以水溶液的形式加入。本专利技术步骤(2)中所述热水的温度为85～100℃。通常，本专利技术步骤(2)中所述热水的加入体积用量与所述碱溶液体积用量相等。进一步，本专利技术步骤(3)中所述超重力旋转床中混合液流量为5～60L/h，所述气相沉淀剂流量为1～10L/h。进一步，本专利技术步骤(3)中所述气相沉淀剂为CO2与N2混合气体或CO2与空气的混合气体时，CO2体积分数为10～90％。更进一步，本专利技术步骤(3)中所述表面活性剂为吐温-80、聚乙二醇-10000、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠(SDS)、六偏磷酸钠或十六烷基三甲基溴化铵。再进一步，步骤(3)中所述表面活性剂在混合液中质量分数为0.05～5wt％。本专利技术所取得的有益效果：从稻壳灰提取水玻璃，降低成本，对废料进行利用，减少对环境的压力；利用超重力反应器稳定、强大的超重力环境，极大地强化了传质过程和微观混合、微观反应效应的特效；利用旋转床特性使酸化反应的液相水玻璃和气相二氧化碳瞬间达到良好的混合，提高转换率，使沉淀反应的时间大大缩短，使生产周期缩短。最终根据本方法制备得到的二氧化硅纳米颗粒粒径为10～150nm。主要用于橡胶工业，作为制造浅色橡胶制品最良好的补强剂和填充剂。另外，在涂料、油漆、纺织、油墨制造等方面也有广泛的用途。在材料中表现出卓越的补强、触变、增稠、消光、绝缘、防流挂等性质，应用于塑料、胶粘剂、密封胶等高分子工业领域。附图说明图1是本专利技术实例1所得二氧化硅粉体的TEM图。图2是本专利技术实例1所得二氧化硅粉体的SEM图。图3是本专利技术实例1所得二氧化硅粉体的红外谱图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此。实例中所用原料来源于生物发电厂产生的稻壳灰，组分分析结果如下表：表1原料稻壳灰的组分分析结果实施例1(1)称取100g粉碎后稻壳灰置于1L三口烧瓶中，按照酸溶液的加入量以稻壳灰质量计为10mL/g倒入1L1mol/L的盐酸溶液，在三口烧瓶上装冷凝回流装置，置于沸水中反应2h。待反应结束后立即过滤，用去离子水洗涤，直至洗涤至中性。取滤渣，120℃干燥，得到处理后的稻壳灰备用。(2)称取30g处理后稻壳灰置于500mL三口烧瓶中，按照碱性溶液的加入量以固体产物的质量计为5mL/g倒入150ml2.5mol/LNa2CO3溶液，在三口烧瓶上装冷凝回流装置，置于沸水中反应4h。待反应结束后立即过滤，用150mL85℃去离子水洗涤，合并滤液，即为水玻璃溶液，保温，留待酸化沉淀法备用。(3)称取400g步骤(2)中制得的水玻璃溶液于500mL三口烧瓶中，加入2.0100g六偏磷酸钠，搅拌使溶解充分，通入旋转床，同时通入纯二氧化碳气体进行酸化反应，加入六偏磷酸钠后的水玻璃流速为33L/h，气体流量为3L/h，旋转床流出液置于85℃水浴中，循环通入旋转床直至絮状沉淀生成。陈化4h。过滤，去离子水洗涤至中性，得到凝胶即为硅酸凝胶，150℃干燥，粉碎即可获得平均粒径50nm的二氧化硅纳米颗粒，其TEM图、SEM图和红外谱图如图1-3所示，XRF成分分析结果如表2所示：表2实施例1所得二氧化硅纳米颗粒的XRF成分分析结果实施例2(1)称取100g粉碎后稻壳灰置于1L三口烧瓶中，按照酸溶液的加入量以稻壳灰质量计为10mL/g倒入1L1mol/L的盐酸溶液，在三口烧瓶上装冷凝回流装置，置于沸水中反应2h。待反应结束后立即过滤，用去离子水洗涤，直至洗涤至中性。取滤渣，120℃干燥，得到处理后的稻壳灰备用。(2)称取30g处理后稻壳灰置于500mL三口烧瓶中，按照碱性溶液的加入量以固体产物的质量计为10mL/g倒入300mL1.5mol/LNa2CO3溶液，在三口烧瓶上装冷凝回流装置，置于沸水中反应3h。待反应结束后立即过滤，用300mL95℃去离子水洗涤，合并滤液，保温，留待酸化沉淀法备用。(3)称取400g步骤(2)中制得的水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法，其特征在于所述方法包括以下步骤：(1)向稻壳灰中加入酸溶液，使稻壳灰浸没于所述的酸溶液中，加热回流1～5小时，用水洗至中性后干燥得固体产物，所述酸的物质的量浓度为0.1～5mol/L；(2)向步骤(1)所得固体产物加入碱性溶液，加热回流1～5小时，反应结束后，抽滤，并用热水洗涤，得到的滤液即为水玻璃溶液，保温备用，所述碱性溶液浓度为0.1～10mol/L；(3)将表面活性剂加入到步骤(2)获得的水玻璃溶液中得到混合液，然后将混合液通入超重力旋转床，同时向超重力旋转床中通入气相沉淀剂，所得浆液保温，循环通入旋转床，直至有絮状沉淀生成；将所得浆液置于常温下陈化1～5h，然后过滤，所得滤饼洗涤至中性，干燥，粉碎后所得粉体即为二氧化硅纳米颗粒；所述气相沉淀剂为CO2、CO2与N2混合气体或CO2与空气的混合气体。

【技术特征摘要】
1.一种基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法，其特征在于所述方法包括以下步骤：(1)向稻壳灰中加入酸溶液，使稻壳灰浸没于所述的酸溶液中，加热回流1～5小时，用水洗至中性后干燥得固体产物，所述酸的物质的量浓度为0.1～5mol/L；(2)向步骤(1)所得固体产物加入碱性溶液，加热回流1～5小时，反应结束后，抽滤，并用热水洗涤，得到的滤液即为水玻璃溶液，保温备用，所述碱性溶液浓度为0.1～10mol/L；(3)将表面活性剂加入到步骤(2)获得的水玻璃溶液中得到混合液，然后将混合液通入超重力旋转床，同时向超重力旋转床中通入气相沉淀剂，所得浆液保温，循环通入旋转床，直至有絮状沉淀生成；将所得浆液置于常温下陈化1～5h，然后过滤，所得滤饼洗涤至中性，干燥，粉碎后所得粉体即为二氧化硅纳米颗粒；所述气相沉淀剂为CO2、CO2与N2混合气体或CO2与空气的混合气体。2.如权利要求1所述的基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法，其特征在于：步骤(1)中所述酸溶液的加入量以稻壳灰质量计为5～20mL/g。3.如权利要求1所述的基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法，其特征在于：步骤(1)所述酸溶液为盐酸溶液、硫酸溶液或二者的混合酸，所述混合酸中盐酸溶液与硫酸溶液的体积比为1:0.2～5。4.如权利要求1所述的基于稻壳灰的制备二氧化硅纳米颗粒的超重力气液沉淀法，其特征在于：步骤(2)中所述碱性溶液的加入量以固...

【专利技术属性】
技术研发人员：张智亮，郑建忠，王广全，计建炳，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33