CN101132856A - 沉淀二氧化硅的聚集体，其制备方法和其在气体过滤中作为过滤器介质的用途 - Google Patents

沉淀二氧化硅的聚集体，其制备方法和其在气体过滤中作为过滤器介质的用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备包括沉淀二氧化硅的聚集颗粒的材料的方法，其包括制备至少两种金属盐(Me)的溶液，其中金属离子是二价或者多价的。制备摩尔比SiO2/M2O为1－4的碱金属(M)硅酸盐的溶液。混合所述溶液，搅拌混合物，使得凝聚物立即形成。对凝聚物进行洗涤、收集、脱水、浸渍和处理以提供干物质含量＞75％、优选＞97％的材料。还提供了可通过该处理获得的材料。

Description

沉淀二氧化硅的聚集体，其制备方法和其在气体过滤中作为过滤器介质的用途
本发明涉及一种新型材料和通过基于溶液处理的其的制造方法。该材料被称为沉淀多微孔性材料，或者更具体的说，沉淀二氧化硅的聚集体。该新颖材料的重要应用是作为气体过滤器介质，特别地其适于在特定环境中从大气中去除CO2。
发明背景
不期望的气载化合物，包括硫化合物、氨、甲醛、尿素、一氧化碳、氮氧化物、硫醇、胺和乙烯，存在于许多环境中，其中大多数主要造成了难闻的气味、或者刺激或有毒气体的存在。尤其的是，上述环境包括石油处理和存储区域、污水处理设备、医院、太平间、解剖学实验室、动物房间以及纸浆和纸制造场所。这些不期望的化合物可以是高级有机化合物的细菌分解产物，或者工艺过程的副产物。
硫化氢H2S，无色有毒气体，具有特征性的腐蛋气味，在煤坑、气井、硫泉中以及从含硫的腐烂有机物中产生。控制这种气体(尤其是从城市污水处理厂)的排放，已经被长期考虑为是所期望的。近年来，保护电子设备免受这些化合物的腐蚀性烟气已经变得愈加重要。进一步地，H2S是易燃的。
氨(NH3)，也是无色气体，具有特殊的刺鼻性气味并且是腐蚀的、碱性气体。在动物房间和养殖场中产生这种气体，并且其的控制也已经被长期考虑为是所期望的。
氯气(Cl2)是浅绿黄色气体，具有令人窒息的气味。该化合物用于漂白织物、净化水、处理铁及其它用途。对于那些使用其进行工作的人或者暴露于它的人的健康来说，控制这种强刺激剂是最令人期望的。在较低水平，与水分结合，氯气对电子线路、不锈钢等具有腐蚀作用。
甲醛(HCHO)是无色气体，具有刺激性的令人窒息的气味。它存在于太平间和解剖学实验室中，因为其对粘膜有强烈刺激，它的控制是所期望的。
尿素(CH4N2O)存在于茅厕排出物中，其广泛用于造纸工业中以软化纤维素。它的气味使得控制这种化合物是所期望的。
一氧化碳(CO)，一种无味无色有毒气体，存在于压缩呼吸用空气中。某些大气(包括人居住的那些)的氧化需求要求对它进行控制。
氮氧化物，包括二氧化氮(NO2)、一氧化氮(NO)和一氧化二氮(N2O)，是具有不同特性和威胁人类水平的化合物，其中一氧化二氮是最小刺激性氧化物。然而，二氧化氮是烈性毒药。控制源于这些氧化物中的任一种的污染是所期望的或者必要的，这取决于氧化物。
硫醇和胺，包括甲硫醇(CH3SH)、丁硫醇(C4H9SH)和甲胺(CH5N)，是污水气味中存在的不期望的气体。对于气味控制来说，这些气体的控制是期望的。
乙烯(C2H4)是无色可燃气体，其是一种简单的窒息剂，它促进水果、蔬菜和花的成熟或者变质。控制这种化合物延长了上述物品的市场寿命。
已经尝试提供固体过滤介质用于从流体物流中去除上述的不期望的化合物。上述介质的期望特征是去除目标化合物的高的总体容量，从接触介质的空气物流中去除化合物的高效率，以及高的点火温度(不燃性)。
用于从气体物流去除不期望的化合物的固体过滤介质的一个具体的实例描述于美国专利4,235,750中。′750专利公开了一种用于吸收乙烯及其他气态污染物的装置和方法，其中该装置是三部分容器，包括在一个隔室中的高锰酸盐浸渍的氧化铝、在第二隔室中的活性炭和在第三隔室中的分子筛和活化硅胶的混合物。
尽管′750专利公开了用于从流体物流中去除不期望的化合物的高锰酸钾浸渍的氧化铝，但是浸渍的氧化铝的容量是有限的。′750专利的高锰酸盐浸渍的氧化铝的效率是有限的，因为其高锰酸盐的最佳浓度是4.5％，并且高锰酸盐的较高浓度导致基材孔隙的阻塞，因此降低了其氧化容量。因此，这种过滤介质将局限于大约9％的吸取气体物流中的硫化氢气体的容量。因此，这种过滤介质不能有效地用于小过滤器床，因为较大量的浸渍的氧化铝必须用来补偿其有限的容量。进一步地，使用′750专利的浸渍的氧化铝将是成本较高的，因为介质将必须较频繁地更换，由此招致较频繁地购买介质的成本以及招致其较频繁的更换所需的额外劳力的成本。最后，′750专利的高锰酸盐浸渍的氧化铝还受如下局限：在介质有用期限的末端发生的在吸附流体物流中的污染物时的故障将会更频繁，这由于介质有限的容量造成。因此，′750专利的介质几乎不能用于其中空气质量要求高的系统中。
存在着与上述产品有关的其它问题。一个问题是它们是粉末状的并且可引起对皮肤、眼睛和呼吸道的刺激。另一问题是材料不能被再次使用，即，它们不能再生。凡是不能为回收或循环利用而节省的物质应该被作为有害废物处理。这种形式中的高锰酸钾与有机物质、易燃材料、强还原剂、强酸、过氧化物、化学活泼金属不可相容并且也可能对水生生物有毒性。
包括浸渍有高锰酸钾(KMnO4)的活性氧化铝(Al2O3)的粒状固体氧化系统的另一实例描述于美国专利3,049,399中。′399专利中公开的粒料通过吸附和吸收气味提供了空气净化和气味控制，然后通过高锰酸钾受控的氧化作用破坏所收集的气味。
′399专利的高锰酸钾浸渍的氧化铝粒料的局限是它们具有有限的从气体物流中去除不需要的污染物的容量。
用于从气体物流中去除不期望的化合物的固体过滤介质的又一个实例公开在美国专利3,226,332中。′332专利教导了一种生产均匀浸渍有固体氧化剂(优选高锰酸钾)的粒状活性氧化铝的方法，该方法用于处理流体物流。该方法包括喷淋添加浸渍物，其中浸渍物溶液被喷淋到在混合器中翻滚的干燥结合物上，由此形成粒料，其然后被干燥以去除较大部分的剩余水。
US-6,004,522(Purafil)通过提供一种用于从气体物流中去除不期望的污染物的高效率、大容量、不易燃性的高锰酸盐浸渍的基材解决了上述问题，即现有技术中的需要。公开了一种耐用的过滤介质，其需要较不频繁地更换，由此最小化维护和更换成本。该发明的浸渍的基材还提供大容量过滤介质，其可被用于小过滤器床中，由此可使得在显著受空间限制的情况下能够处理流体物流。
′522的所要保护的过滤介质与现有技术的介质相比，具有较高的效率并且能够从气态物流中去除某些不需要的化合物。
然而，它仍然具有这样的缺点，即使用包括浸渍有高锰酸钾的氧化铝的介质，而所述高锰酸钾是一种希望排除的化合物，因为它与环境问题有关，正如上面所述。
还希望的是进一步延长过滤介质的使用寿命，超过上述现有技术介质的期限。
可用于过滤目的的另一种类型的材料是所谓的气凝胶。就极低密度、高孔隙率、优良的绝热能力来说，这种材料具有显著的性能。其已经用于过滤目的的测试中。然而，它的大规模制造是昂贵的，因而它没有提供上述介质的经济可行的替换方案。
在现有技术的溶胶-凝胶技术中，其通常用于生产具有高表面积的均质凝胶和粉末，例如气凝胶，中间产物是凝胶。凝胶包含颗粒，其在填充整个溶液体积的支链中被连接在一起，使得在介质的任何宏观范围中没有二氧化硅浓度的增加，即，二氧化硅被均匀分布在介质中(在宏观水平上)。因而，整个介质变成粘稠的并且将随后被固化，形成颗粒的粘结网络，其通过毛细管作用而保持液体。
EP 0476135 A1公开了一种吸附剂，其是铵离子和氨气选择性的，以及一种制造上述吸附剂的方法。该方法包括在碱性条件中逐滴将水添加到铝盐或者铝酸盐和硅酸盐中。加热反应混合物，然后将pH调节到4-9以形成沉淀物。使产物老化，将产物干燥，并且将其用作吸附铵离子的试剂。该出版物仅仅公开了铵离子和氨气的吸附。尤其是，它没有涉及吸收除氨气以外的任何其它气态物质。
US 3,755,183公开了一种通过从含二价和三价金属的盐的碱金属盐溶液中形成沉淀物产物而制造硅酸盐吸附剂和需关注的试剂的方法。该产物基于使用一种金属离子，并且产物的用途是吸附油类和水分。
发明内容
由于与上面举例说明的现有技术材料有关的缺点，本发明的目的是提供一种新材料和一种制造其的方法，该新材料具有用于过滤应用的性能，其至少和现有技术材料的性能一样的好。大规模的制造应该是便宜的和简单的，这与现有技术的常常时间成本高并且复杂的方法不同。
该目的在本发明的第一方面中利用如权利要求1中所限定的制备沉淀二氧化硅聚集体的方法而实现。
在进一步的方面中，本发明提供一种如权利要求16限定的新材料。
尤其是，该材料是环境上无害的。它可以被再生，至少在其中化合物已被物理吸收，而不是化学结合到该材料的情况下。
优选地，该材料包括硅酸盐和二价金属氧化物。
在本发明的第三方面中，提供了一种气体过滤器装置，其适用于从环境空气中分离有害的或者不需要的气态组分。该装置如权利要求21中所限定。
在第四方面中，提供了一种过滤空气的方法，其限定在权利要求22中。
形成本发明其它方面的进一步应用是，列举几种，即用于制造建筑材料的材料用途、作为肥料的用途。
以下给出的详细说明将使得本发明适用性的进一步的范围变得显而易见。然而，应当理解的是详细说明和具体实施例，虽然指出了本发明的优选的实施方案，但是仅仅作为例证说明给出。仅仅作为例证说明给出附图。
附图说明
图1显示了为来自表4的各种过滤器介质的样品所测量的BET表面积。
图2显示了为来自表4的各种过滤器介质的样品所获得的孔隙体积。
图3是SO2吸附的比较，针对代表本发明的两种分别包含5％KOH和KI的浸渍介质和由浸渍有8％KMnO4和若干NaHCO3的氧化铝制成的参比介质。
优选的实施方案的详细说明
本发明的材料经由沉淀反应而制成，其中碱金属硅酸盐溶液与含二价或多价的金属阳离子的盐溶液接触。当可溶性硅酸盐与含除碱族金属(alkali group)以外的金属的盐溶液混合时，不可溶的非晶体金属硅酸盐沉淀。这种过程的特征可以是一种凝聚过程，其中颗粒聚集成较密集的集料，在该集料中二氧化硅的浓度比原始溶液中的浓度更高，使得凝聚物以较稠密的沉淀物的形式沉降。
上述所获的沉淀凝聚物然后在水中洗涤，直到剩余的反应产物和过量的成分已被去除。然后通过真空或者离心过滤使得这种浆液脱水，直到获得约15％干物质的较稠的糊状物。
对于其中应当使材料浸渍的实施方案，如将在下文更详细描述的，所述浸渍可以通过用含所需浸渍化学试剂的溶液并且在适当的浓度下最终洗涤凝聚物而实现。如果浸渍不与最终洗涤结合时，可以添加所需的化学试剂并且与糊状物混合，之前是最终的洗涤和脱水步骤。
对于其中材料优选是粒料形式的实施方案，使用标准糊状物挤出设备来生产所述粒料并且如果需要球状颗粒或者具有圆形的颗粒，可以随后在单独的步骤中使粒料球形化(spheronised)/丸化(marumerised)。最后，所获得的材料需要在流化床或者旋转干燥器中或者任何其它常规且适当的干燥设备中进行干燥，由此进行浸渍凝聚物的成形和干燥，至干物质含量＞75％，优选＞90％,更优选＞95％，最优选＞97％。
因而总之，通过混合碱金属硅酸盐与盐溶液以沉淀物的形式形成期望的材料，并且以各种方式加工该沉淀物而获得期望的终端产物。
适于本发明目的的碱金属硅酸盐可以以不同类型获得，这取决于所含的碱金属和碱金属硅酸盐的主要组分即SiO2和就硅酸钠来说的Na2O的摩尔比。商业碱金属硅酸盐以摩尔比为3.9-1.6提供。最常见的碱金属硅酸盐基于钠，Na，而且钾，K，并且在某种程度上锂，Li。上述产品可获自Askania，哥德堡，瑞典。
为获得凝聚反应，稀的碱金属硅酸盐溶液，一般地相对于SiO2浓度为1.5M，与浓缩的或者甚至饱和的Mg和/或Ca盐溶液混合。就此最易于获得的盐分别是MgCl2和CaCl2。然而根据本发明，能够使用任何可易于溶解的盐如硝酸盐和乙酸盐。即使Mg和Ca是最易获得的阳离子，也可以使用其它二价和多价的离子，如Cu、Zn、Mn、Cd、Pb、Ni、Fe、Cr、Ag、Al、Ti、V、Co、Mo、Sn、Sb、Sr、Ba和W。
当硅酸钠的稀释溶液与Mg和/或Ca的氯化物在强烈搅拌下混合时，混合物立即凝聚。该反应被认为根据以下反应方程式发生：
Na2O·nSiO2(1)+Mg2++Ca2+--＞(Mg，Ca)O·nSiO2(s)+2Na+  (1)其中n表示SiO2和Na2O的摩尔比。反应方程式(1)表明该摩尔比n(即SiO2/Na2O)控制了最终产物中的Mg和Ca的量。该比例较低时，在凝聚物中相对于SiO2含量将存在更多的Mg和Ca。换句话说，为在反应产物中最大化Mg和Ca的含量，应当使用具有尽可能低摩尔比n的碱金属硅酸盐。
富集Mg和Ca的二氧化硅颗粒以松散集料的形式在水介质中凝聚，在过滤器上回收，洗清，成形和干燥，如前所述。在这种条件中，所生产的沉淀二氧化硅可用作某种类型的污染物气体的吸收剂，利用其对这些气体分子的固有的亲合力。对于介质的活性位点，可能的反应方程式的某些实例如下所示：
(Mg，Ca)O(s)+SO2(g)+O2(g)→(Mg，Ca)SO4(s)  (2)
(Mg，Ca)O(s)+CO2(g)→(Mg，Ca)CO3(s)          (3)
(Mg，Ca)O(s)+H2S(g)→(Mg，Ca)S(s)+H2O(g)     (4)
因而，提供了一种多微孔性材料，其包括根据以下通式的沉淀二氧化硅聚集体
MeOx·mSiO2
其中
Me表示Ca、Mg、Cu、Zn、Mn、Cd、Pb、Ni、Fe、Cr、Ag、Al、Ti、V、Co、Mo、Sn、Sb、Sr、Ba和W中的任何金属或者这些金属的任意混合物，其中x表示氧与金属组分的摩尔比，其中m表示Si/Me的摩尔比，其中聚集体由多孔颗粒组成，所述聚集体显示出的尺寸为0.5-500μm，优选5-200μm，最优选l0-100μm。
本发明的多微孔性材料将具有的摩尔比，m＝Si/Me，为1-4，优选2-3.5，最优选2.5-3。
本发明的多微孔性材料，当暴露于饱和水蒸气以及液态水时，没有碎裂或者溶解。
本发明的多微孔性材料合适浸渍至浸渍剂含量为0-20％、优选5-20％、更优选10-20％。
为了提高过滤器介质的效率，在介质中可以加入额外的物质。这些物质可以作为催化剂和pH值缓冲剂或者作为特定气体组分的捕获剂。上述化学试剂和气体的实例示于表1中。“VOC”是指沸点温度为50-260℃的全部有机化合物(主要由碳和氢组成的物质)，但不包括杀虫剂，符合世界卫生组织(WHO)的定义。
表1.可用于捕获特定气态污染物的浸渍剂
  活性浸渍剂  通式   被捕获的气体污染物
  氢氧化钾  KOH   SO2、SO3、HNO3、HCl、VOC
  碘化钾  KI   H2S、NO2
  高锰酸钾  KMnO4   SO2、HCHO、NO、VOC
  草酸  C2H2O4   NH3
  柠檬酸  C6H8O7   NH3
  硫代硫酸钠  Na2S2O3   Cl2
  次氯酸钠  NaClO   H2S
  碳酸钾  K2CO3   HCl、HF
  碳酸钠  Na2CO3   HCl、HF
实施例
制备适于过滤SO2污染空气的浸渍过滤器介质
由无特定纯度的水制成溶液。
用普通自来水进行洗涤/洗清。
碱金属硅酸盐获自Askania，哥德堡，瑞典，从农药零售商获得的盐，不过也可获自其它来源。这些化合物基本上是大宗化学试剂，除了掺杂/浸渍化学试剂以外，其是较高纯度的。后者通常来自VWR，瑞典。这表明本方法可以使用在全世界大多数市场中可易于获得的廉价的大宗化学试剂来放大。
通过以下一般程序制备如下所述被测试的过滤器介质(体积、浓度和摩尔比在各批次间变化)。
1、使用纯的1.5M MgCl2或者纯的1.5M CaCl2的溶液，或者表4中指出的比例的所述溶液的混合物(即，0.5升或0.65升的1.5M MgCl2与0.5升或0.35升的1.5M CaCl2分别混合)。
2、制备摩尔比为1.6或3.35的1升的1.5M(相对于SiO2)的硅酸钠，将其放入普通食品混合器中。
3、将盐溶液(一种或多种)倒入硅酸盐溶液中，同时运转混合器，由此溶液立即开始凝聚。
4、使沉淀凝聚物沉降直至1小时，通过滗析去除沉淀物上面的清液。
5、通过添加新鲜水来洗涤沉淀物，随后搅拌溶液并且使凝聚物沉降，然后滗析。重复这一过程数次，直到滗析水几乎不含氯离子，如通过添加几滴稀释的AgNO3试剂来检测。
6、在最终洗涤后，再次将新鲜水添加到沉淀物中，通过滤纸来真空过滤该溶液直到已经获得约15％的干物质水平。
7、将浸渍化学试剂(KOH和KI)以粉末或者晶体形式分别添加到凝聚物饼状物或者糊状物，其随后在强烈搅拌下被溶解在凝聚物的剩余(85％)水相中。
8、凝聚物糊状物然后被粒化、球形化(spheronised)并且在105℃干燥直至剩下小于3wt％的自由水分。
9、使过滤器介质通过筛子以获得约4mm的珠径。
以实验室规模进行上述方法。在工业设备中，当然将要使用适当的加工设备。例如，对于过滤来说，将合适使用压滤机类型的装置或者其它的脱水设备。离心机可能是可行的替代物。
该方法生产出具有以下性能的材料：
摩尔比Si/Me为1-4、优选2-3.5、最优选2.5-3，其中Me表示Ca、Mg、Cu、Zn、Mn、Cd、Pb、Ni、Fe、Cr、Ag、Al、Ti、V、Co、Mo、Sn、Sb、Sr、Ba和W中的任何金属或者这些金属中的任意混合物。
材料的孔隙率为0.2-1.5cm3/g、优选0.5-1.2cm3/g，BET表面是20-800m2/g，优选300-800m2/g。
材料包括聚集到集料中的多孔性微粒，尺寸为0.5-500μm，优选5-200μm，最优选10-100μm。
材料的浸渍
为了确定过滤器介质的高水平的吸收，进行浸渍。使用表1中列出的一些化学试剂进行浸渍测试。根据以上描述生产两种介质，一种包含5％的KOH，而另一种包含5％的KI。
测试吸收容量
适于去除SO2的商业过滤器介质(Purafil)被用作参比材料，其包括浸渍有8％KMnO4和一定量的NaHCO3的氧化铝。在具有平行过滤柱的测试设备中进行吸收测试，使受约3.2ppm的SO2污染的空气通过所述过滤柱。测试床的长度是26mm，受污染的空气的流速是30 1/min，接触时间接近0.1s。在测试期间，相对湿度在50-58％之间变化。在过滤器的上游以及在每个过滤柱之后很近处测量SO2的浓度。
吸附测试的结果示于图3中，其中上部的基本上水平曲线(----)代表进入的测试气体(即，在相对于过滤器“上游”的位置)中的SO2的浓度(约3200ppb)。代表过滤器后的测量值的三条曲线的最上面的曲线(---)来自商业的参比过滤器介质(Purafil)，两条下方的曲线(分别——和………)代表使用本发明过滤器的结果。
图3中的结果表明根据本发明制得的两种介质优于参比材料。就到达SO2的某一渗漏值的时间来说，本发明所描述的过滤器介质是参比材料的约两倍。
在类似于图3中所示的测试中，对于Purafil(8％KMnO4)和含8％KOH的本发明的材料，当分离度超过50％时，测量SO2的吸收量。对于商业材料来说，SO2的吸收量为200-225mg，而根据本发明的材料吸收了750-800mg。这意味着本发明的产品的吸收容量为Purafil的三倍多。
因而，根据本发明的材料优选具有至少5mg/ml、优选大于10mg/ml、最优选大于15mg/ml并且直至差不多25mg/ml的SO2的吸收容量。
采用不同的表达，根据本发明的材料能够吸收至多其自重的7％、适当地至多12％和最大20％，按SO2计。
评论：当更仔细地对此进行考虑时，对于不同的气体，由于化学原因，而且还取决于摩尔重量，容量是不同的。此外，该容量受到试验条件的影响，例如，空气流量、接触时间等。因此难以勾画出一般性图景。我知道，相对于SO2，Purafil材料的容量为7％。基于我已经发现了对于本发明的合适的水平，使得这种容量是合理的。
应当注意到该曲线仅仅代表测试情况。在实际操作中，在″临界点″(即当过滤器开始在输出端泄漏污染物时)前，过滤器后的实测浓度当然将是0达显著的时间。
载体材料
各种类型和形式的二氧化硅载体材料的表面和孔隙性能是它们作为气态污染物的吸收剂的可能应用的关键决定因素。已经为根据前述方法制备的沉淀二氧化硅的各种混合物评价了它们的BET表面积(m2/g)和总孔隙体积(cm3/g)。在表2和3中，显示了上述测试的结果。表2硅酸钠，摩尔比3.35，用Ca和/或Mg氯化物沉淀。如前所述，全部溶液的浓度为1.5M。
Ca，    BET，         孔隙体积，    Mg，
原子-％ m2/g          cm3/g         原子-％
0       356           0.6           100
35      532           0.7           65   10
100     57            0.25          0
表3硅酸钾，摩尔比3.35，用Ca和/或Mg硝酸盐沉淀。如前所述，全部溶液的浓度为1.5M。
Ca，    BET，         孔隙体积，    Mg，
原子-％ m2/g          cm3/g         原子-％
0       277           0.4           100
35      293           0.41          65
100     63            0.23          0
从表2和3可以看出，由Ca盐制成的沉淀物具有较低的比(BET)表面积，而由Mg盐制成的相应沉淀物显示出显著较高的BET表面积。也可注意到，对于含65％Mg和35％Ca的混合物，所得沉淀物具有比含单一盐的混合物甚至更高的BET表面积。所测试样品的孔隙体积与比表面积遵循相同的模式。这些效果似乎与所使用的碱金属硅酸盐的类型或者盐中存在何种阴离子无关。
以下的是在一个更大的盐浓度水平，在两种摩尔比水平和两种盐浓度水平，由硅酸钠形成的沉淀物的BET测量值的额外结果。最后，还研究了混合顺序的重要性，即，如果盐存在于混合器中而将硅酸盐倒入到混合物中，或者反之亦然。
表4对于由硅酸钠(1.5M SiO2)、摩尔比分别为3.35和1.6，用Ca和/或Mg氯化物、1.5M以及饱和溶液沉淀而制成的各种过滤器介质的BET表面积和孔隙体积。
样品号 摩尔比 Ca原子-％ Mg原子-％ 盐浓度 在混合器中   BETm2/g   孔隙体积cm3/g
  V-1V-7V-5V-6V-3V-4V-2V-8VI-1VI-2VI-6VI-5VI-4VI-3VII-1VII-2VII-5VII-6VII-3VII-4   3.353.353.353.353.353.353.353.353.353.353.353.353.353.351.61.61.61.61.61.6   0035355050100100005555100100005555100100   1001006565505000100100454500100100454500   1.5M1.5M1.5M1.5M1.5M1.5M1.5M1.5M饱和饱和饱和饱和饱和饱和饱和饱和饱和饱和饱和饱和   盐硅酸盐盐硅酸盐盐硅酸盐盐硅酸盐盐硅酸盐盐硅酸盐盐硅酸盐盐硅酸盐盐硅酸盐盐硅酸盐   34634734639124529169.763.838343935932377.856.838037736523241.449.2   0.620.610.510.520.540.50.310.220.710.780.470.470.310.260.430.410.450.380.180.2
图1和2显示了图表形式中的相应数据。
对于Mg和Ca的混合物，在表2和3中所见的BET表面积和孔隙体积的最佳值并非那么明显，如从表4和图1和2来判断。看起来如果Mg含量超过约50％，产生较高的BET表面积和孔隙体积。在所获得的结果中，没有观察到摩尔比、盐浓度和混合顺序的可能影响。这些方面看来都没有对所研究的性能具有显著的影响。
使用装备有用于元素分析的能量散射检测器的扫描电子显微镜(SEM)来对各种各样的样品进行化学分析。分析Si、Mg和Ca以便观察硅酸盐溶液的摩尔比是否对沉淀物中存在的Mg和Ca的量有影响，如反应方程式(1)所给出的。
表5过滤器介质的化学组成，相对于所使用的方法和成分，硅酸钠(1.5MSiO2)、摩尔比分别为3.35和1.6，用Ca和/或Mg氯化物、1.5M以及饱和溶液沉淀
                          预混合条件   过滤器介质的化学组成，原子-％
  样品号   摩尔比   Ca原子-％   Mg原子-％   在混合器中   Si   Mg   Ca   Si/(Mg+Ca)
  V-1   3.35   0   100   盐   24.5   7.1   0.15   3.4
  V-7   3.35   0   100   硅酸盐   24.9   7.1   0.15   3.4
  V-5   3.35   35   65   盐   23.8   6   1.7   3.1
  V-6   3.35   35   65   硅酸盐   19.9   5   5.7   1.9
  V-3   3.35   50   50   盐   21.6   4.8   5.4   2.1
  V-4   3.35   50   50   硅酸盐   23.8   5.1   3.9   2.6
  V-2   3.35   100   0   盐   19.4   0   8.3   2.3
  V-8   3.35   100   0   硅酸盐   21.7   0.03   7.6   2.8
  VI-1   3.35   0   100   盐   23.2   7.8   0.13   2.9
  VI-2   3.35   0   100   硅酸盐   22.8   8   0.16   2.8
  VI-6   3.35   55   45   盐   22.6   5.6   3.2   2.6
  VI-5   3.35   55   45   硅酸盐   20.7   5.5   1.5   3.0
  VI-4   3.35   100   0   盐   22.1   0.04   10.3   2.1
  VI-3   3.35   100   0   硅酸盐   21.5   0.04   9.4   2.3
  VII-1   1.6   0   100   盐   20.4   11.2   0.13   1.8
  VII-2   1.6   0   100   硅酸盐   20.6   11.2   0.16   1.8
  VII-5   1.6   55   45   盐   18.8   8   3.6   1.6
  VII-6   1.6   55   45   硅酸盐   20.3   8   3.3   1.8
  VII-3   1.6   100   0   盐   16.6   0.03   13.2   1.3
  VII-4   1.6   100   0   硅酸盐   16.7   0.05   12.8   1.3
从表5，显然碱金属硅酸盐中的摩尔比越低，成品中Si和Mg与Ca之和的比例越低。换句话说，为在凝聚物中和在成品中获得较高比例的Mg和Ca，应当使用具有低摩尔比的碱金属硅酸盐。这是根据前文所示的反应方程式(1)。这是本发明的重要特征，因为它控制了可被吸收的气体污染物的量，根据反应方程式(2)-(4)。
如可从上述公开的试验中理解的是，因而，新材料可用作气体过滤器介质用于从环境空气或从其它受污染的大气去除有害的或其它不需要的气体如CO2。该材料可被结合到任何装置、设备或仪器中，其中已经使用了根据现有技术的过滤器介质。
过滤器介质的稳定性，当浸水时，是一种过滤器工业常见且强烈的要求，因为冷凝现象可能在某些操作条件以及在存储期间发生。为了发现将浸渍化学试剂添加到载体中的上限，设计了一系列测试，其包含由摩尔比为1.6和3.35的硅酸钠制成的材料。如前所述，由Ca和Mg盐的混合物制成了过滤器材料。对于两种类型来说，添加氢氧化钾KOH直至24wt％。在105℃干燥后，过滤器粒料浸在蒸馏水中。使用酚酞指示剂溶液以及酸碱指示剂试纸，测试水的pH值。在测试期间还目测过滤器粒料的物理稳定性。结果示于表6中。
表6通过将过滤器粒料浸在蒸馏水中来测试水稳定性。
用KOH浸渍直至24wt％。Y＝是，过滤器粒料碎裂，N＝否，过滤器粒料完整无损。
摩尔比 0 5 8 12 16 20 24
  1.6   Y   Y   Y   Y   Y   Y   Y
  3.35   N   N   N   N   N   Y   Y
表6中所示的过滤器的碎裂总是伴随着pH值的增加，这表明KOH释放到水中。由摩尔比为1.6的硅酸钠制成的过滤器介质对于任何浸渍水平来说是不稳定的，甚至连载体本身在水中也不稳定。由摩尔比为3.35的硅酸钠制成的过滤器材料，另一方面，显示了令人惊讶地高稳定性，甚至在高浸渍水平或者接近于20％KOH时。
因而，优选地，制造根据本发明的材料的方法需要使用摩尔比为1-4、优选2-3.7、最优选约3.2-3.7、如3.35的硅酸盐/碱金属氧化物(例如SiO2/Na2O)。
当材料耗尽，即，其吸收污染物的能力已经到达极限时，在再生后，材料可再次作为过滤器介质使用，前提是污染物仅仅被物理吸收而非化学结合。通过简单的加热或者通过置换方法(通过某些惰性气体的吹扫)或者两者的结合，可以进行再生。
如果污染物被化学结合，并且本身不是有毒的或者不以其它方式形成危险，那么该材料可被用于建筑材料中，以本身或者与各种类型的粘合剂(包括水泥等)结合的方式。
该材料甚至可以被用作化肥，可能要与其它化合物结合。富含磷(P)和氮(N)的额外的化合物可以与剩余的过滤器介质结合，以便给予所需要的量和主要关于N、P、K、Ca、Mg和S的适当的平衡。

Claims (24)

1.一种制备沉淀二氧化硅聚集体的方法，包括以下步骤：
制备至少两种金属盐(Me)的溶液，其中金属离子是二价或者多价的；
制备碱金属(M)硅酸盐的溶液，其摩尔比SiO2/M2O为1-4，优选2-3.7，更优选3-3.7，最优选3.35；
混合所述溶液并且搅拌混合物，由此凝聚物立即形成；
在水中洗涤该凝聚物；
收集该凝聚物；
处理该凝聚物以提供一种材料，其干物质含量＞15，并且向其中添加浸渍剂；
成形并干燥该浸渍的凝聚物至干物质含量＞75％，优选＞90％，更优选＞95％，最优选＞97％。
2.权利要求1的方法，其中碱金属(M)是Na、K或者Li，优选Na或者K，最优选Na。
3.权利要求1或者2的方法，其中该金属盐包括选自Mg、Ca、Cu、Zn、Mn、Cd、Pb、Ni、Fe、Cr、Ag、Al、Ti、V、Co、Mo、Sn、Sb、Sr、Ba和W的两种或更多种金属。
4.权利要求3的方法，其中所述一种或多种盐中的阴离子是任何与所讨论的金属形成可易于溶解的盐的离子，优选氯离子、乙酸根或者硝酸根。
5.前述权利要求中任一项的方法，其中所述金属盐溶液的浓度范围起自0.5M，优选1.0M，更优选1.5M，并且直至饱和溶液。
6.前述权利要求中任一项的方法，其中所述碱金属硅酸盐溶液的浓度，相对于SiO2，大于0.5M、优选大于1.0M、更优选大于1.4M、更加优选1.5M并且小于4M。
7.前述权利要求中任一项的方法，其中处理凝聚物包括洗涤以去除自由阴离子。
8.前述权利要求中任一项的方法，其中处理凝聚物包括干燥至期望的干物质含量，优选在约50-250℃，更优选70-175℃，更加优选70-130℃，最优选90-115℃，适当地105℃。
9.前述权利要求中任一项的方法，包括在干燥前通过添加和混合所述化合物至凝聚物而用浸渍剂浸渍材料。
10.权利要求1-9中任一项的方法，包括干燥前通过将所述选择的化合物添加至最终洗涤步骤而用所选化合物浸渍材料。
11.前述权利要求中任一项的方法，其中处理凝聚物包括干燥前使材料脱水，适当地在压滤机类型的装置中或者在离心机中。
12.前述权利要求中任一项的方法，其中处理凝聚物包括干燥前使材料粒化。
13.权利要求12的方法，其中粒化材料被球形化和/或丸化。
14.权利要求9的方法，其中浸渍化学试剂选自KOH和KI，将其以粉末或者晶体形式添加到凝聚物饼状物或者糊状物，其随后在强烈搅拌下被溶解在凝聚物的剩余水相中。
15.权利要求9的方法，其中浸渍化学试剂选自KMnO4、C2H2O4、C6H8O7、Na2S2O3、NaClO、KOH、NaOH、KI、NaI、K2CO3、Na2CO3、NaHCO3、KHCO3。
16.一种多微孔性材料，包括根据以下通式的沉淀二氧化硅的聚集体
MeOx·mSiO2
其中
Me表示任何两种或更多种选自如下的金属：Ca、Mg、Cu、Zn、Mn、Cd、Pb、Ni、Fe、Cr、Ag、Al、Ti、V、Co、Mo、Sn、Sb、Sr、Ba和W，其中x表示氧与金属组分的摩尔比，其中m表示Si/Me的摩尔比，和其中
聚集体由多孔颗粒组成，所述聚集体的尺寸为0.5-500μm，优选5-200μm，最优选10-100μm。
17.权利要求16的多微孔性材料，其中摩尔比，m＝Si/Me，为1-4，优选2-3.5，最优选2.5-3。
18.权利要求16-17中任一项的多微孔性材料，其中材料的孔隙率是0.5-1.2cm3/g；和BET表面是300-800m2/g。
19.权利要求16-18中任一项的多微孔性材料，其干物质含量＞97％。
20.权利要求16-19中任一项的多微孔性材料，其中浸渍剂的水平是0-20％，优选5-20％，更优选10-20％。
21.权利要求16-20中任一项的多微孔性材料，当暴露于饱和水蒸气以及液态水时，其没有碎裂或者溶解。
22.权利要求16的材料作为气体过滤器介质的用途。
23.气体过滤器装置，其包括权利要求16的材料。
24.一种过滤空气的方法，包括使污染空气通过权利要求23的气体过滤器装置。
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