制备二氧化硅气凝胶的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种制备二氧化硅气凝胶的方法及系统，该方法包括以下步骤：1)将多晶硅生产中的渣浆与水混合，发生水解反应生成硅溶胶，得到固液混合物；2)将固液混合物进行固液分离，分别得到固体混合物和液体混合物，其中，液体混合物包括硅溶胶；3)使用碱性溶液调节液体混合物的pH值为碱性，进行凝胶化处理，液体混合物中的硅溶胶生成硅凝胶；4)将硅凝胶进行溶剂替换，替换掉硅凝胶中的水；5)干燥，得到二氧化硅气凝胶。本发明专利技术中的方法采用多晶硅生产中的渣浆作为二氧化硅气凝胶的硅源，降低了制备二氧化硅气凝胶的原料成本，同时可以减少环境污染、固废处理成本和物料浪费，提高企业的经济效益。

Method and system for preparation of silica aerogels

The invention discloses a method and a system for the preparation of silica aerogels, the method comprises the following steps: 1) the pulp is mixed with water and slag in the production of polysilicon, hydrolysis reaction of silica sol, obtain the solid-liquid mixture; 2) the solid-liquid mixture for solid-liquid separation, solid mixture and liquid mixtures, which are obtained the liquid, comprising a mixture of silica sol; 3) using alkaline solution to adjust the pH value of liquid mixtures is alkaline, gel processing, silica sol, silica gel generated in the liquid mixture; 4) silicon gel solvent replacement, replace silica gel in water; 5) drying, silica aerogels were obtained. The method of the invention adopts the slurry in the production of polysilicon as the silicon source of silica aerogels, reduces the preparation of silica aerogel material cost, and can reduce environmental pollution and waste treatment costs and waste materials, improve the economic efficiency of enterprises.

【技术实现步骤摘要】
制备二氧化硅气凝胶的方法及系统
本专利技术属于多晶硅生产
，具体涉及一种制备二氧化硅气凝胶的方法及系统。
技术介绍
多晶硅生产系统涉及的三氯氢硅生产过程包括直接氯化法(用硅粉和氯化氢反应制备)和氯氢化反应(四氯化硅、氢气、硅粉和催化剂)两种工艺，无论哪种工艺都会在生产过程中得到渣浆。随着多晶硅工厂规模的日益扩大，排放的残液和渣浆也越来越多。渣浆中富含大量的氯硅烷、金属氯化物和固体物质，通常工业上使用高温蒸汽使渣浆中的氯硅烷汽化，从而使渣浆中的氯硅烷与固体物质分离开来，通过冷凝回收其中的氯硅烷，从而得到了浓渣浆。浓渣浆通常用碱石灰溶液中和，得到废渣并进行处理。浓渣浆中含有大量硅粉和催化剂，直接排放处理，不仅造成极大浪费，而且还会污染环境。由于原料硅粉中含有Fe3+、Ca2+、Al3+等金属离子，在生产三氯氢硅的过程中，这些金属离子会与氯化氢反应生成相应的金属氯化物，其中三氯化铝具有易升华的特性，在渣浆处理过程中危害最大。同时，在氯硅烷汽化的同时三氯化铝会随着氯硅烷一并进入精馏系统，此时三氯化铝会沉积在精馏系统中的精馏塔的内壁上，影响精馏塔的传质传热和分离效率，造成设备堵塞等，给生产带来极大的不确定性。气凝胶是凝胶脱去大部分溶剂后，形成的空间网状结构中填充气体的材料，具有非常好的隔热效果，是世界上密度最小的固体之一。在化工建筑隔热、储能器件等领域有着广阔的应用前景。一般使用最广泛的气凝胶为硅气凝胶，硅气凝胶使用的硅源主要为正硅酸乙酯、有机硅、水玻璃、稻壳灰等，通过一步法或两步法催化水解，凝胶化处理，再使用超临界或冷冻干燥等技术对气凝胶进行干燥。由于硅气凝胶的优良性能，用途也在不断被开发出来，市场应用前景很大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种制备二氧化硅气凝胶的方法及系统，将多晶硅生产中的渣浆处理与二氧化硅气凝胶制备相结合，实现了资源的综合利用，使用多晶硅生产中的渣浆作为制备二氧化硅气凝胶的硅源，实现物料综合利用、降低环境污染，同时降低制备二氧化硅气凝胶的原料成本，解决二氧化硅气凝胶制备成本较高的难题。解决本专利技术技术问题所采用的技术方案是提供一种制备二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤：1)将多晶硅生产中的渣浆与水混合，渣浆中的含硅物质发生水解反应生成硅溶胶，得到固液混合物；2)将所述固液混合物进行固液分离，分别得到固体混合物和液体混合物，其中，所述液体混合物包括硅溶胶；3)使用碱性溶液调节所述液体混合物的pH值为碱性，进行凝胶化处理，所述液体混合物中的硅溶胶生成硅凝胶；4)将所述硅凝胶进行溶剂替换，替换掉所述硅凝胶中的水；5)干燥，得到二氧化硅气凝胶。多晶硅生产中的渣浆包括三氯氢硅生产过程中产生的渣浆，其中，三氯氢硅生产过程中产生的渣浆包括直接氯化法反应制备三氯氢硅过程中产生的渣浆，和/或氯氢化反应制备三氯氢硅过程中产生的渣浆。渣浆中的含硅物质为氯硅烷、制备三氯氢硅过程中生成的含硅的高聚物(氯硅烷高沸物)中的一种或几种。优选的是，所述步骤5)中的干燥方法为超临界二氧化碳干燥或低温冷冻。优选的是，在所述步骤2)与所述步骤3)之间还包括步骤i)将所述液体混合物与络合剂混合，通过络合反应除去所述液体混合物中能够发生络合反应生成沉淀的金属离子，得到除去所述金属离子的液体混合物。金属离子包括Fe3+、Ca2+、Al3+中的一种或几种。优选的是，所述步骤i)中的所述络合剂包括SCN-、F-、EDTA、CN-中的一种或几种。优选的是，所述步骤i)中的所述络合剂的浓度为8×10-6M～5×10-4M。优选的是，所述步骤2)之后还包括步骤m)所述固体混合物包括硅粉和催化剂，取出所述固体混合物进行氮气保护，并与氢气、四氯化硅进行冷氢化反应。优选的是，所述步骤3)中的所述pH值为8～11。优选的是，在所述步骤3)和所述步骤4)之间还包括步骤n)对所述硅凝胶进行阳离子交换。优选的是，所述步骤3)中的所述凝胶化处理的温度为50～110℃，所述凝胶化处理的时间为10～48h。更优选的是，所述步骤3)中的所述凝胶化处理的温度为80～100℃，所述凝胶化处理的时间为12～20h。优选的是，所述步骤4)与所述步骤5)之间还包括步骤j)对所述硅凝胶进行疏水化改性处理，该疏水化改性处理的时间为12～30h。更优选的是，所述疏水化改性处理的时间为15～24h。优选的是，所述疏水化改性处理所使用的疏水化改性剂为六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、六甲基二硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷、三甲基氯硅烷中的一种或几种。优选的是，所述步骤4)中的溶剂替换所用溶剂为无水乙醇、无水甲醇、正己烷、丙酮中的一种或几种。更优选的是，所述步骤4)中的溶剂替换所用溶剂为无水乙醇。本专利技术还提供一种制备二氧化硅气凝胶的系统，包括：渣浆水解罐，用于将多晶硅生产中的渣浆与水混合，渣浆中的含硅物质发生水解反应生成硅溶胶，得到固液混合物；抽滤装置，与所述渣浆水解罐连接，所述抽滤装置用于将所述固液混合物进行固液分离，分别得到固体混合物和液体混合物，其中，所述液体混合物包括硅溶胶；中和槽，与所述抽滤装置连接，所述中和槽用于使用碱性溶液调节所述液体混合物的pH值为碱性，进行凝胶化处理，所述液体混合物中的硅溶胶生成硅凝胶；后处理槽，与所述中和槽连接，所述后处理槽用于将所述硅凝胶进行溶剂替换，替换掉所述硅凝胶中的水；干燥器，与所述后处理槽连接，所述干燥器用于将所述硅凝胶干燥，得到二氧化硅气凝胶。优选的是，所述的制备二氧化硅气凝胶的系统还包括：络合槽，该络合槽包括络合槽入口和络合槽出口，所述络合槽入口与所述抽滤装置连接，所述络合槽出口与所述中和槽连接，所述络合槽用于将所述液体混合物与络合剂混合，通过络合反应除去所述液体混合物中能够发生络合反应生成沉淀的金属离子，得到除去所述金属离子的液体混合物。优选的是，所述后处理槽还用于对所述硅凝胶进行疏水化改性处理。优选的是，所述的制备二氧化硅气凝胶的系统还包括：阳离子交换树脂柱，该阳离子交换树脂柱包括阳离子交换树脂柱入口和阳离子交换树脂柱出口，所述阳离子交换树脂柱入口与所述中和槽连接，所述阳离子交换树脂柱出口与所述后处理槽连接，所述阳离子交换树脂柱用于对所述硅凝胶进行阳离子交换。本专利技术中的制备二氧化硅气凝胶的方法及系统具有如下显著效果：1.采用多晶硅生产中的渣浆作为二氧化硅气凝胶的硅源，降低了制备二氧化硅气凝胶的原料成本，同时可以减少环境污染、固废处理成本和物料浪费，提高企业的经济效益；2.本专利技术中的系统在现有多晶硅尾气处理系统基础上进行改造，并且所采用的设备都是成熟的化工设备，能够有效降低企业的建设成本；3.将多晶硅生产中的渣浆处理与二氧化硅气凝胶制备相结合，实现了资源的综合利用。附图说明图1是本专利技术实施例2中的制备二氧化硅气凝胶的系统的结构示意图。图中：1-渣浆水解罐；2-第一搅拌器；3-第二搅拌器；4-渣浆泵；41-渣浆泵入口；42-渣浆泵出口；5-抽滤装置；6-硅粉干燥罐；7-络合槽；71-络合槽入口；72-络合槽出口；8-中和槽；9-阳离子交换树脂柱；91-阳离子交换树脂柱入口；92-阳离子交换树脂柱出口；10-后处理槽；11-干燥器。具体实施方式为使本领域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将多晶硅生产中的渣浆与水混合，发生水解反应生成硅溶胶，得到固液混合物；2)将所述固液混合物进行固液分离，分别得到固体混合物和液体混合物，其中，所述液体混合物包括硅溶胶；3)使用碱性溶液调节所述液体混合物的pH值为碱性，进行凝胶化处理，所述液体混合物中的硅溶胶生成硅凝胶；4)将所述硅凝胶进行溶剂替换，替换掉所述硅凝胶中的水；5)干燥，得到二氧化硅气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将多晶硅生产中的渣浆与水混合，发生水解反应生成硅溶胶，得到固液混合物；2)将所述固液混合物进行固液分离，分别得到固体混合物和液体混合物，其中，所述液体混合物包括硅溶胶；3)使用碱性溶液调节所述液体混合物的pH值为碱性，进行凝胶化处理，所述液体混合物中的硅溶胶生成硅凝胶；4)将所述硅凝胶进行溶剂替换，替换掉所述硅凝胶中的水；5)干燥，得到二氧化硅气凝胶。2.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤2)与所述步骤3)之间还包括步骤i)将所述液体混合物与络合剂混合，通过络合反应除去所述液体混合物中能够发生络合反应生成沉淀的金属离子，得到除去所述金属离子的液体混合物。3.根据权利要求2所述的制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，所述步骤i)中的所述络合剂包括SCN-、F-、EDTA、CN-中的一种或几种。4.根据权利要求2所述的制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，所述步骤i)中的所述络合剂的浓度为8×10-6M～5×10-4M。5.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，所述步骤2)之后还包括步骤m)所述固体混合物包括硅粉和催化剂，取出所述固体混合物进行氮气保护，并与氢气、四氯化硅进行冷氢化反应。6.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，在所述步骤3)和所述步骤4)之间还包括步骤n)对所述硅凝胶进行阳离子交换。7.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，所述步骤3)中的所述凝胶化处理的温度为50～110℃，所述凝胶化处理的时间为10～48h。8.根据权利要求1所述的制备二氧化硅气凝胶的方法，其特征在于，所述步骤4)与所述步骤5)之间还包括步骤j)对所述硅凝胶进行疏水化改性处理，该疏水化改性处理的时间为12～30h。9...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞聪，范协诚，银波，夏进京，罗飞飞，武珠峰，
申请(专利权)人：新特能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：新疆,65