CN109179429A - 一种氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,本发明首先利用氯硅烷残液制备正硅酸酯,然后再制备介孔纳米二氧化硅,本发明以氯硅烷残液作为原材料,原材料廉价易得,本发明方法不但能得到盐酸副产物,且能制备得到高附加值的介孔纳米二氧化硅,本发明采用正丙醇作为醇解剂,便宜易得,正己烷作为溶剂,在反应完成后,通过精馏的方式提纯,不会造成溶剂浪费,本发明中氯硅烷残液的醇解反应,反应条件安全可控,本发明与氯硅烷残液直接水解法处理相比,不但能够制备得到纳米级的介孔二氧化硅,同时所制备的正硅酸丙酯的纯度高达99.3%,能够满足市场的需求,实现了氯硅烷残液的资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,属于多晶硅行业氯硅烷残液的资源化领域。
背景技术
由于能源危机的加剧,中国自2005以来,光伏产业迅速兴起,而多晶硅作为光伏太阳能的基石,需求急剧增加,从而催生了多晶硅产业的快速发展。每生产1 吨多晶硅将会产生10多吨的氯硅烷残液。氯硅烷残液的主要组成包括HCl, SiHCl3, SiCl4等。由于其具有强烈的腐蚀性、高毒性、极易与水发生水解反应,而生成氯化氢气体和放出大量的热。若人体接触了HCl气体,将引起结膜炎、角膜坏死、损伤皮肤和粘膜等疾病。另一方面,若该气体被直接排放,将会对我们周围的土壤、大气、水环境造成严重的污染,进一步危害我们的生活环境。
目前,碱液水解法是国内使用比较普遍的方法,主要是由于投资低、工业简单、能够实现其无害化管理。而NaOH、Ca(OH)2溶液是最常用的碱液,利用此方法不但会造成原料的严重浪费,而且会生成大量的固体废物Na2SiO3、CaSiO3,该废物只能被简单地进行填埋处理,同时生成的NaCl、CaCl2溶液需要通过结晶的方式提取出NaCl、CaCl固体,这需要高的能耗,该法会为多晶硅企业带来一定的经济负担。因此,实现氯硅烷残液的资源化利用,对实现多晶硅厂的可持续发展起着决定性的作用。
据我们了解,介孔SiO2具有良好的补强性、增稠性、消光性、热稳定性等性能,已经被被广泛地用于牙膏、橡胶、涂料、塑料、生物医学工程、电化学、催化剂载体等高端领域。鉴于介孔SiO2广泛的用途及市场需求,提出了氯硅烷残液两步法制备介孔纳米二氧化硅的方法,这能为多晶硅厂的可持续发展奠定坚实的基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,本发明方法既经济又能工业化的实现氯硅烷残液的资源化利用。
本发明的技术方案如下:一种氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,具体步骤如下:
(1)氯硅烷残液与溶剂混合:将氯硅烷残液与有机溶剂添加至醇解反应器中并充分混合;
(2)载气的通入:将载气通入醇解反应器中;
(3)醇解反应:将低碳醇以恒定的流率注入醇解反应器中,发生醇解反应;
(4)尾气处理:将步骤(3)醇解反应产生的尾气用自来水吸收,得到盐酸副产物,自来水未吸收的气体经碱液吸收后再排至大气中;
(5)醇解产物中HCl的去除:向步骤(3)反应后的混合物中加入固体碱去除醇解产物中的HCl,直到醇解产物呈中性,然后将反应后的固液混合物进行过滤,得到的滤液为正硅酸酯的混合液;
(6)醇解产物中各组分的分离:将步骤(5)的正硅酸酯的混合液进行蒸馏提纯,得到纯净的正硅酸酯;
(7)正硅酸酯制备介孔纳米二氧化硅:将碱催化剂、扩孔剂、表面活性剂和超纯水添加至三口烧瓶,并置于70~80ºC的恒温水浴锅中搅拌,然后将步骤(6)得到的正硅酸酯滴加至三口烧瓶中反应;
(8)抽滤:将反应后得到的乳液进行抽滤,得到白色的滤饼;
(9)洗涤:将步骤(8)所得的滤饼用超纯水和无水乙醇硝铵溶液进行洗涤并分别抽滤,得到最终的白色滤饼;
(10)烘干:将步骤(9)得到的白色滤饼置于干燥箱中进行恒温干燥,最终得到纳米二氧化硅。
所述步骤(1)中有机溶剂为正己烷,氯硅烷残液与正己烷的摩尔比为0.65~1.63:1。
所述步骤(3)中注入低碳醇的恒定流速的范围为60~120mL/h,醇解反应的温度为15~40°C,注入的低碳醇与氯硅烷残液摩尔比为2.8~3.6:1。
所述步骤(2)中的载气为氮气,氮气通入的速率为80~100mL/min。
所述步骤(3)中的低碳醇为正丙醇,醇解反应的化学反应方程式如下:
SiCl4+4C3H7OH → Si (OC3H7)4+HCl;
SiHCl3+4C3H7OH → Si(OC3H7)4 + 3HCl +H2;
所述步骤(4)中的碱液为氢氧化钠或氢氧化钙溶液。
所述步骤(5)中的固体碱为氧化钙。
所述步骤(7)中的扩孔剂为1,3,5-三异丙基苯(TIPB)与正己醇的组合或1,3,5-三异丙基苯(TIPB)与正辛烷的组合或1,3,5-三异丙基苯(TIPB)与正己醇、正辛烷三者的组合,所述碱催化剂为L-赖氨酸,表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵,搅拌时间为1~2h,反应时间为4~10h。
所述步骤(9)中无水乙醇硝铵溶液中硝铵的质量分数为0.3~0.5%。
所述氯硅烷残液以质量百分数计其组成为9.47%的HCl,9.86%的SiHCl3,80.67%的SiCl4。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明以氯硅烷残液作为原材料,原材料廉价易得,本发明方法不但能得到盐酸副产物,且能制备得到高附加值的介孔纳米二氧化硅。
(2)本发明采用正丙醇作为醇解剂,便宜易得,正己烷作为溶剂,在反应完成后,通过精馏的方式提纯,不会造成溶剂浪费。
(3)本发明中氯硅烷残液的醇解反应,反应条件安全可控,可通过控制正丙醇与残液的摩尔比、进料速率、反应温度、正己烷与残液的摩尔比等参数来控制正硅酸丙酯的产率。
(4)本发明制备的介孔纳米二氧化硅的孔径能够通过改变扩孔剂的浓度及添加的种类而控制。
(5)本发明与氯硅烷残液直接水解法处理相比,不但能够制备得到纳米级的介孔二氧化硅,同时所制备的正硅酸丙酯的纯度高达99.3%,能够满足市场的需求,实现了氯硅烷残液的资源化利用。
附图说明
图1A为本发明实施例1所制备的介孔纳米二氧化硅的SEM图;
图1B为本发明实施例1所制备的介孔纳米二氧化硅的TEM图;
图2A为本发明实施例2所制备的介孔纳米二氧化硅的SEM图;
图2B为本发明实施例2所制备的介孔纳米二氧化硅的TEM图;
图3A为本发明实施例3所制备的介孔纳米二氧化硅的SEM图;
图3B为本发明实施例3所制备的介孔纳米二氧化硅的TEM图;
图4A为本发明实施例4所制备的介孔纳米二氧化硅的SEM图;
图4B为本发明实施例4所制备的介孔纳米二氧化硅的TEM图;
具体的实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明,但仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1:本氯硅烷残液制备纳米二氧化硅的方法,具体步骤如下:
(1)氯硅烷残液与溶剂的混合:将氯硅烷残液与正己烷按摩尔比1.63:1的比例添加至醇解反应器中并充分混合;
(2)载气的通入:将氮气以100mL/min的速率通入醇解反应器中;
(3)醇解反应:将正丙醇以80mL/h的恒定流速注入到醇解反应器中,且正丙醇与氯硅烷残液的摩尔比为2.8:1,反应温度为15°C,发生醇解反应,生成正硅酸丙酯,且该反应中正硅酸丙酯的产率为48%;
(4)尾气处理:醇解反应的尾气用自来水吸收,从而得到盐酸副产物,剩余的气体经氢氧化钠溶液吸收后再排至大气中;
(5)醇解产物中HCl的去除:向步骤(3)醇解反应后的混合物中加入适量的氧化钙去除醇解产物中的HCl,直到醇解产物呈中性,然后将反应后的固液混合物进行过滤,得到的滤液为正硅酸酯的混合液;
(6)醇解产物中各组分的分离:根据醇解混合物中各组成间沸点的差异,将步骤(5)的正硅酸酯的混合液进行蒸馏提纯,从而得到纯净的目标产物正硅酸丙酯;
(7)正硅酸丙酯制备介孔纳米二氧化硅:首先将2.7mmoL的L-赖氨酸,8.2mmoL的十六烷基三甲基溴化铵、61.2mmoL的正辛烷,24.8mmoL的1,3,5-三异丙基苯和300ml的超纯水添加至500mL的三口烧瓶中,并置于80°C的恒温水浴锅中充分搅拌1.5h后,将步骤(6)得到的4mL正硅酸丙酯滴加至三口烧瓶中,反应持续6h,最终获得白色乳液;
(8)抽滤:将步骤(7)反应得到的乳液进行抽滤,从而得到白色的滤饼;
(9)洗涤:将抽滤所得的滤饼用超纯水和0.3%无水乙醇硝铵溶液各洗涤3次并分别抽滤,得到最终的白色滤饼;
(10)烘干:将步骤(9)得到的白色滤饼置于干燥箱中,在60°C下干燥15h,得到介孔纳米二氧化硅;
本实施例1所制备的介孔纳米二氧化硅的SEM图、TEM图如图1A、图1B所示,对制备的介孔纳米二氧化硅进行测试表征,经过测试表征后,该法所制备的SiO2的粒径为92nm,孔径为4.2nm,结构为树枝状。
实施例2:(1)氯硅烷残液与溶剂的混合:将氯硅烷残液与正己烷按摩尔比1.30:1的比例添加至醇解反应器中并充分混合;
(2)载气的通入:将氮气以90mL/min的速率通入醇解反应器中;
(3)醇解反应:将正丙醇以100mL/h的恒定流速注入到醇解反应器中,且正丙醇与氯硅烷残液的摩尔比为3.0:1,反应温度为30°C,发生醇解反应,生成正硅酸丙酯,且该反应中正硅酸丙酯的产率为42%;
(4)尾气处理:醇解反应的尾气用自来水吸收,从而得到盐酸副产物,剩余的气体经氢氧化钙溶液吸收后再排至大气中;
(5)醇解产物中HCl的去除:向步骤(3)醇解反应后的混合物中加入适量的氧化钙去除醇解产物中的HCl,直到醇解产物呈中性,然后将反应后的固液混合物进行过滤,得到的滤液为正硅酸酯的混合液;
(6)醇解产物中各组分的分离:根据醇解混合物中各组成间沸点的差异,将步骤(5)的正硅酸酯的混合液进行蒸馏提纯,从而得到纯净的目标产物正硅酸丙酯;
(7)正硅酸丙酯制备介孔纳米二氧化硅:首先将2.7mmoL的L-赖氨酸,8.2mmoL的十六烷基三甲基溴化铵、16.1mmoL的正己醇,30.6 mmoL的正辛烷,24.8 mmoL的1,3,5-三异丙基苯和300mL的超纯水添加至500mL的三口烧瓶中,并置于70°C的恒温水浴锅中充分搅拌1h后,将步骤(6)得到的4mL正硅酸丙酯滴加至三口烧瓶中,反应持续8h,最终获得白色乳液;
(8)抽滤:将步骤(7)反应得到的乳液进行抽滤,从而得到白色的滤饼;
(9)洗涤:将抽滤所得的滤饼用超纯水和0.4%无水乙醇硝铵溶液各洗涤3次并分别抽滤,得到最终的白色滤饼;
(10)烘干:将步骤(9)得到的白色滤饼置于干燥箱中,在70°C下干燥14h,得到介孔纳米二氧化硅;
本实施例2所制备的介孔纳米二氧化硅的SEM图、TEM图如图2A、图2B所示,对本实施例制备的介孔纳米二氧化硅进行测试表征,经过测试表征后,该法所制备的SiO2的粒径为96nm,孔径为4.8 nm,结构为树枝状。
实施例3:(1)氯硅烷残液与溶剂的混合:将氯硅烷残液与正己烷按摩尔比0.65:1的比例添加至醇解反应器中并充分混合;
(2)载气的通入:将氮气以80mL/min的速率通入醇解反应器中;
(3)醇解反应:将正丙醇以120mL/h的恒定流速注入到醇解反应器中,且正丙醇与氯硅烷残液的摩尔比为3.2:1,反应温度为40°C,发生醇解反应,生成正硅酸丙酯,且该反应中正硅酸丙酯的产率为38%;
(4)尾气处理:醇解反应的尾气用自来水吸收,从而得到盐酸副产物,剩余的气体经氢氧化钙溶液吸收后再排至大气中;
(5)醇解产物中HCl的去除:向步骤(3)醇解反应后的混合物中加入适量的氧化钙去除醇解产物中的HCl,直到醇解产物呈中性,然后将反应后的固液混合物进行过滤,得到的滤液为正硅酸酯的混合液;
(6)醇解产物中各组分的分离:根据醇解混合物中各组成间沸点的差异,将步骤(5)的正硅酸酯的混合液进行蒸馏提纯,从而得到纯净的目标产物正硅酸丙酯;
(7)正硅酸丙酯制备介孔纳米二氧化硅:首先将2.7mmoL的L-赖氨酸,8.2mmoL的十六烷基三甲基溴化铵、32.2mmoL的正己醇,61.2 mmoL的正辛烷,24.8 mmoL的1,3,5-三异丙基苯和300mL的超纯水添加至500mL的三口烧瓶中,并置于80°C的恒温水浴锅中充分搅拌2h后,将步骤(6)得到的4mL正硅酸丙酯滴加至三口烧瓶中,反应持续10h,最终获得白色乳液;
(8)抽滤:将步骤(7)反应得到的乳液进行抽滤,从而得到白色的滤饼;
(9)洗涤:将抽滤所得的滤饼用超纯水和0.5%无水乙醇硝铵溶液各洗涤3次并分别抽滤,得到最终的白色滤饼;
(10)烘干:将步骤(9)得到的白色滤饼置于干燥箱中,在80°C下干燥10h,得到介孔纳米二氧化硅;
本实施例3所制备的介孔纳米二氧化硅的SEM图、TEM图如图3A、图3B所示,对本实施例制备的介孔纳米二氧化硅进行测试表征,经过测试表征后,该法所制备的SiO2的粒径为145nm,孔径为8.6nm,结构为树枝状。
实施例4:(1)氯硅烷残液与溶剂的混合:将氯硅烷残液与正己烷按摩尔比0.65:1的比例添加至醇解反应器中并充分混合;
(2)载气的通入:将氮气以85mL/min的速率通入醇解反应器中;
(3)醇解反应:将正丙醇以60mL/h的恒定流速注入到醇解反应器中,且正丙醇与氯硅烷残液的摩尔比为3.6:1,反应温度为15°C,发生醇解反应,生成正硅酸丙酯,且该反应中正硅酸丙酯的产率为46%;
(4)尾气处理:醇解反应的尾气用自来水吸收,从而得到盐酸副产物,剩余的气体经氢氧化钙溶液吸收后再排至大气中;
(5)醇解产物中HCl的去除:向步骤(3)醇解反应后的混合物中加入适量的氧化钙去除醇解产物中的HCl,直到醇解产物呈中性,然后将反应后的固液混合物进行过滤,得到的滤液为正硅酸酯的混合液;
(6)醇解产物中各组分的分离:根据醇解混合物中各组成间沸点的差异,将步骤(5)的正硅酸酯的混合液进行蒸馏提纯,从而得到纯净的目标产物正硅酸丙酯;
(7)正硅酸丙酯制备介孔纳米二氧化硅:首先将2.7mmoL的 L-赖氨酸,
8.2 mmoL的十六烷基三甲基溴化铵、16.1mmoL的正己醇,24.8mmoL的1,3,5-三异丙基苯和300mL的超纯水添加至500mL的三口烧瓶中,并置于75°C的恒温水浴锅中充分搅拌1.5h后,将步骤(6)得到的4mL正硅酸丙酯滴加至三口烧瓶中,反应持续4h,最终获得白色乳液;
(8)抽滤:将步骤(7)反应得到的乳液进行抽滤,从而得到白色的滤饼;
(9)洗涤:将抽滤所得的滤饼用超纯水和0.5%无水乙醇硝铵溶液各洗涤3次并分别抽滤,得到最终的白色滤饼;
(10)烘干:将步骤(9)得到的白色滤饼置于干燥箱中,在90°C下干燥10h,得到介孔纳米二氧化硅;
本实施例4所制备的介孔纳米二氧化硅的SEM图、TEM图如图4A、图4B所示,对本实施例制备的介孔纳米二氧化硅进行测试表征,经过测试表征后,该法所制备的SiO2的粒径为80nm,孔径为4.4nm,结构为树枝状。
Claims (9)
1.一种氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)氯硅烷残液与溶剂混合:将氯硅烷残液与有机溶剂添加至醇解反应器中并充分混合;
(2)载气的通入:将载气通入醇解反应器中;
(3)醇解反应:将低碳醇以恒定的流速注入醇解反应器中,发生醇解反应;
(4)尾气处理:将步骤(3)醇解反应产生的尾气用自来水吸收,得到盐酸副产物,自来水未吸收的气体经碱液吸收后再排至大气中;
(5)醇解产物中HCl的去除:向步骤(3)反应后的混合物中加入固体碱去除醇解产物中的HCl,直到醇解产物呈中性,然后将反应后的固液混合物进行过滤,得到的滤液为正硅酸酯的混合液;
(6)醇解产物中各组分的分离:将步骤(5)的正硅酸酯的混合液进行蒸馏提纯,得到纯净的正硅酸酯;
(7)正硅酸酯制备介孔纳米二氧化硅:将碱催化剂、扩孔剂、表面活性剂和超纯水添加至三口烧瓶,并置于70~80ºC的恒温水浴锅中搅拌,然后将步骤(6)得到的正硅酸酯滴加至三口烧瓶中反应,得到乳液;
(8)抽滤:将步骤(7)反应后得到的乳液进行抽滤,得到白色的滤饼;
(9)洗涤:将步骤(8)所得的滤饼用超纯水和无水乙醇硝铵溶液进行洗涤并分别抽滤,得到最终的白色滤饼;
(10)烘干:将步骤(9)得到的白色滤饼置于干燥箱中进行恒温干燥,最终得到纳米二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤(1)中有机溶剂为正己烷,氯硅烷残液与正己烷的摩尔比为0.65~1.63:1。
3.根据权利要求1所述的氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤(3)中注入低碳醇的恒定流速的范围为60~120mL/h,醇解反应的温度为15~40°C,注入的低碳醇与氯硅烷残液摩尔比为2.8~3.6:1。
4.根据权利要求1所述的氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤(2)中的载气为氮气,氮气通入的速率为80~100mL/min。
5.根据权利要求1所述的氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤(3)中的低碳醇为正丙醇。
6.根据权利要求1所述的氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤(4)中的碱液为氢氧化钠或氢氧化钙溶液。
7.根据权利要求1所述的氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤(5)中的固体碱为氧化钙。
8.根据权利要求1所述的氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤(7)中的扩孔剂为1,3,5-三异丙基苯(TIPB)与正己醇的组合或1,3,5-三异丙基苯(TIPB)与正辛烷的组合或1,3,5-三异丙基苯(TIPB)与正己醇、正辛烷三者的组合,所述步骤(7)中碱催化剂为L-赖氨酸,表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵,搅拌时间为1~2h,反应时间为4~10h。
9.根据权利要求1所述的氯硅烷残液制备介孔纳米二氧化硅的方法,其特征在于:所述步骤(9)中无水乙醇硝铵溶液中硝铵的质量分数为0.3~0.5%。
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