CN110194459A - 一种大孔容高比表面积硅胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开属于硅胶制备技术领域，具体涉及一种大孔容高比表面积硅胶的制备方法。现有技术中常见的硅胶产品包括大孔硅胶及细孔硅胶，通常难以满足高比表面积及大孔容性能的同时实现。现有技术中相关研究表明干燥方式对硅胶的性能具有影响，本公开针对干燥方法与硅胶性能的关系进行深入研究，提供了真空干燥及冷冻干燥两种方式。研究表明，真空干燥具有可控生产的优点，生产人员可依据应用目的调整硅胶的破碎程度从而获取目标性能的硅胶产品。冷冻干燥方式步骤更为简便。本公开方法为企业生产提供了更为可控的生产方式，工艺简便，具有良好的推广意义。
Description
技术领域
本公开属于硅胶制备技术领域，具体涉及一种大孔容高比表面积硅胶的制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本公开的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
硅胶是一种典型的高活性多孔吸附材料，无毒无味、化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外几乎不与任何物质发生反应，具有多微孔结构。由于硅胶的三维空间网状多孔结构，使其具有较大的比表面积，另外，硅胶表面还附着了较多硅烷醇基，有较强的吸附性能，可用作干燥剂、吸附剂、催化剂及催化剂载体。硅胶的吸附性能与其丰富的孔道结构和高比表面积具有密不可分的联系。
硅胶因其生产流程和制备方法的不同形成不同的骨架结构，目前现有硅胶产品中常见的为大孔硅胶和细孔硅胶，大孔硅胶孔容积较大，但比表面积较小，细孔硅胶具有较好的比表面积，但孔容积较小。发明人认为，研发一种同时具有大孔容和高比表面积的硅胶产品具有良好的生产意义。赵希鹏的研究中提供了一种大孔容高比表面积硅胶的制备方法，以硅酸钠和无机酸为原料通过化学沉淀法制备了一种大孔容高比表面积的硅胶，该硅胶的吸附能力较浅，适合用于生产卷筒喷绘纸、彩喷纸、相纸等广告、办公用纸。曲其昌等人报道了干燥方式对载体硅胶性能的影响，根据其研究结果，不同的干燥方式对硅胶的表面积、孔容和平均孔径都有显著的影响。
发明内容
针对上述研究背景，本公开针对硅胶制备的干燥方式进行了深入研究，同时对制备过程中的其他方案进行调整，能够制备比表面积及孔容都显著高于现有技术中的硅胶产品。除此之外，通过调整硅胶制备的技术方案，还能够得到满足不同使用目的和生产方式的硅胶产品，具有良好的推广意义。
本公开第一方面，提供一种大孔容高比表面积硅胶的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：以无机酸和硅酸钠为原料进行凝胶反应得到凝胶，所述凝胶老化后经碱液洗涤后干燥制得，所述干燥为冷冻干燥或真空干燥。
优选的，所述凝胶反应采用稀硫酸和硅酸钠为原料进行凝胶反应。
进一步优选的，所述稀硫酸质量分数为32-34％。
将配置好的稀硫酸溶液恒温至30-35℃，留作待用。
进一步优选的，所述硅酸钠配置为质量分数17-18％的硅酸钠溶液。
配置好的硅酸钠溶液同样置于恒温28-32℃状态中，留作待用。
进一步优选的，所述凝胶反应通过螺旋微反应器进行凝胶反应。
优选的，所述凝胶反应结束后将凝胶pH控制在2.0-3.0范围内进行老化。
优选的，所述老化温度30-35℃，老化时间为15-18h。
优选的，老化结束后，将凝胶破碎为10-20㎜大小的颗粒状，采用氨水进行洗涤。
进一步优选的，所述氨水的质量分数为0.5-1‰，氨水的温度为65-70℃。
进一步优选的，所述氨水洗涤之后还包括水洗步骤。
硅酸钠与稀硫酸混合后，体系中生成沉淀并逐渐聚集成为多硅酸凝胶及硫酸钠，硫酸钠在冲洗作用下被除去，多硅酸凝胶则在老化过程中逐渐形成具有较高机械强度的颗粒制品，其孔径结构也在这一过程中逐渐形成。氨水洗涤完成后再通过水洗将凝胶中的杂质离子尽数洗去。
优选的，所述干燥为真空干燥，所述真空干燥的真空度为-0.9～-0.99bar。
进一步优选的，所述真空干燥温度为65～95℃，干燥时间为1-3h。
进一步优选的，所述真空干燥之前还包括采用乙醇对凝胶进行浸泡的步骤。
采用乙醇对凝胶进行浸泡，可以将其中的水份进行置换，后期干燥步骤中更容易将凝胶中的水份完全去除，同时置换后的凝胶在比表面积等指标上相比不置换的硅胶也有提升。出于节约生产成本的考虑，可以使用工业酒精进行置换。
优选的，所述凝胶破碎为3mm以下的颗粒后进行真空干燥。
经本公开研究发现硅胶颗粒的尺寸对真空干燥的效果具有显著的影响，将10-20mm硅胶颗粒进行真空干燥，获得的大孔硅胶其比表面积在550.96-585.61m2/g，孔容在2.06-2.25cm3/g，孔径在14.54-16.34nm。将硅胶颗粒碎成3mm以下的小颗粒在同样的条件下进行真空干燥制备的大孔硅胶，其比表面积在514.59-544.53m2/g，孔容在2.42-2.48cm3/g，孔径在17.8-19.25nm。
依据上述研究结果，生产人员采用真空干燥方式制备硅胶产品时，可以通过调整硅胶颗粒的尺寸来获取具有目的比表面积、孔容或孔径的硅胶产品，这一技术特征为硅胶产品的生产带来了较大的便利。同时，本公开研究还发现，该方法制备的硅胶产品具有较强的吸附能力，对水、醇、苯、醚等有机溶剂有很好的吸附作用，可以广泛地用于制备各种气体吸附剂、催化剂载体、色谱柱填料及环境净化功能材料等。
优选的，所述干燥为冷冻干燥，所述冷冻干燥的温度为-80～-20℃，在绝对压强10-103Pa下进行。
进一步优选的，所述冷冻干燥还包括预冷步骤，将二氧化硅在-80℃～-20℃下冷冻2-24小时，使其完全放热。
本公开同样对硅胶颗粒尺寸与冷冻干燥的效果进行了研究，研究表明，硅胶颗粒的尺寸对硅胶性能的影响不大。经检测，采用冷冻干燥方式制备的大孔硅胶比表面积达到410～430m2/g，孔容达2.01～2.40cm3/g，硅胶孔径能够达到20nm以上。该研究结果表明，采用冷冻干燥的方式制备硅胶产品时，不论反应釜中的硅胶产品粒径如何，均可以得到相似性能的硅胶产品。并且该方法不需要采用乙醇等有机溶剂对硅胶中的水份进行置换，可以节约生产步骤，降低成本。
本公开第二方面，提供第一方面所述方法制备的硅胶。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1.本公开针对大孔容高比表面积硅胶的制备方法进行了改进，采用本公开方法制备的硅胶产品能够同时具有较高的比表面积及孔容，是一种良好的气体吸附剂、催化剂载体、色谱柱填料及环境净化功能材料。
2.本公开针对干燥方式与硅胶性能的关系提出了进一步研究，提供了冷冻干燥及真空干燥两种方式。真空干燥对硅胶性能的影响与硅胶的颗粒尺寸相关，生产人员可依据应用目的调整硅胶的破碎程度从而获取目标比表面积、孔容或孔径的硅胶产品。
采用冷冻干燥则可以省去有机溶剂对凝胶进行置换的步骤，并且颗粒尺寸对硅胶性能几乎不产生影响。
上述制备方法制备工艺较为简便，同时为企业生产提供了更为可控的生产方式，生产单位可依据生产目的对技术路线进行选择和调整，具有良好的推广意义。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为实施例1和2中冷冻干燥方法制备的硅胶实物图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，常见硅胶产品包括大孔硅胶及细孔硅胶，难以同时满足高比表面积和大孔容。现有技术相关研究表明干燥方式对硅胶性能具有影响，本公开针对硅胶制备过程中的干燥方法进行了更为深入的研究，提供真空干燥及冷冻干燥两种方式，对硅胶性能具有明显的提升，且具有良好的推广意义。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本公开的技术方案。
实施例1冷冻干燥制备大孔硅胶
配置浓度为32％的稀硫酸溶液，保持温度为30℃备用；配置二氧化硅含量为17.5％的硅酸钠溶液，保持温度为28℃备用；将配置好的两种溶液通过螺旋微反应器进行凝胶反应；
控制凝胶pH在2.0-3.0范围内，将反应后的凝胶转移至老化槽中，保持温度30℃进行老化15小时。
老化结束后对凝胶进行人工破碎，使其成为10-20㎜大小的颗粒状，引流到水洗罐中，通入65℃的浓度0.5‰的含氨热水进行洗涤；洗涤到无硫酸根结束洗涤，再加水清洗杂质离子。
预冷：将破碎后的凝胶在-80℃下冷冻2小时，使其完全放热，将颗粒温度降到共晶点以下。放入真空冷冻干燥机中冷冻干燥：设定冷凝器温度-80℃，绝压10Pa，进行冷冻干燥。
经检测，本实施例中方法制备的大孔硅胶表面积达到427m2/g，孔容达2.14cm3/g，孔径在20nm。
实施例2
配置浓度为34％的稀硫酸溶液，保持温度为35℃备用；配置二氧化硅含量为17.5％的硅酸钠溶液，保持温度为32℃备用；将配置好的两种溶液通过螺旋微反应器进行凝胶反应；
控制凝胶pH在2.0-2.5范围内，将反应后的凝胶转移至老化槽中，保持温度35℃进行老化18小时。
老化结束后对凝胶进行人工破碎，使其成为10-20㎜大小的颗粒状，引流到水洗罐中，通入70℃的浓度1‰的含氨热水进行洗涤；洗涤到无硫酸根结束洗涤，再加水清洗杂质离子。
预冷：将破碎后的凝胶在-60℃下冷冻12小时，使其完全放热，将颗粒温度降到共晶点以下。放入真空冷冻干燥机中冷冻干燥：设定冷凝器温度-80℃，绝压102Pa，进行冷冻干燥。
经检测，该方法制备的大孔硅胶表面积达到427.92m2/g，孔容达2.14cm3/g，孔径在20.03nm，如图1所示。
本实施例将同一批次的硅胶颗粒破碎为3mm左右的小颗粒在相同条件下进行冷冻干燥，经检测，该方法制备的大孔硅胶表面积达到423.96m2/g，孔容达2.16cm3/g，孔径在20.41nm。由上述数据可以看出，硅胶颗粒破碎程度对冷冻干燥后的硅胶性能几乎无影响，经发明人多次尝试表明，硅胶颗粒的尺寸对冷冻干燥法制备的硅胶性能指标影响不大。
实施例3采用酒精置换真空干燥制备大孔硅胶
将实施例1中水洗完毕后的硅胶颗粒加入工业酒精中按体积1:1的比例浸泡，浸泡4小时后更换酒精，每一小时鼓气或者搅拌5分钟，让酒精浸泡更均匀，更换酒精4次后，通过密度计检测浸泡液密度接近酒精密度后，排空酒精。将10-20mm硅胶颗粒在真空度-0.9～-0.99bar下干燥，70、80、90度干燥2h得到大孔硅胶，分别测量大孔硅胶比表面积、孔容及孔径。进一步，将10-20mm硅胶颗粒粉碎至3mm以下，同等条件下干燥并测量硅胶指标，结果如表1所示：
表1真空干燥方式制备的硅胶性能指标
从表1中可以看出，破碎后小颗粒的硅胶相比同等条件制备的大颗粒硅胶比表面积均出现了降低，孔容升高，孔径也有显著的提升，证明硅胶颗粒的破碎程度对真空干燥硅胶的性能具有明显的影响。
实施例4常压干燥制备大孔硅胶
将实施例1中水洗完毕后的硅胶颗粒沥水后，将10-20mm硅胶颗粒在常温常压下干燥，70、80、90度干燥2h得到大孔硅胶，分别测量大孔硅胶比表面积、孔容及孔径。进一步，将10-20mm硅胶颗粒粉碎至3mm以下，同等条件下干燥并测量硅胶指标，结果如表1所示：
表2常压干燥方式制备的硅胶性能指标
从表1中可以看出，破碎后小颗粒的硅胶相比同等条件制备的大颗粒硅胶比表面积均出现了降低，孔容升高，孔径也有显著的提升，但相对于上述优选工艺还是有明显差异。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大孔容高比表面积硅胶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：以无机酸和硅酸钠为原料进行凝胶反应得到凝胶，所述凝胶老化后经碱液洗涤后干燥制得，所述干燥为冷冻干燥或真空干燥。
2.如权利要求1所述大孔容高比表面积硅胶的制备方法，其特征在于，所述凝胶反应采用稀硫酸和硅酸钠为原料进行凝胶反应；优选的，所述稀硫酸质量分数为32-34％；优选的，所述硅酸钠为质量分数17-18％的硅酸钠溶液。
3.如权利要求1所述大孔容高比表面积硅胶的制备方法，其特征在于，所述凝胶反应结束后将凝胶pH控制在2.0-3.0范围内进行老化；或所述老化温度30-35℃，老化时间为15-18h。
4.如权利要求1所述大孔容高比表面积硅胶的制备方法，其特征在于，老化结束后，将凝胶破碎为10-20㎜大小的颗粒状，采用氨水进行洗涤；优选的，所述氨水的体积分数为0.5-1‰或氨水的温度为65-70℃；优选的，所述氨水洗涤之后还包括水洗步骤。
5.如权利要求1所述大孔容高比表面积硅胶的制备方法，其特征在于，所述干燥为真空干燥，所述真空干燥的真空度为-0.9～-0.99bar。
6.如权利要求5所述大孔容高比表面积硅胶的制备方法，其特征在于，所述真空干燥温度为65～95℃，干燥时间为1-3h；或所述真空干燥之前还包括采用乙醇对凝胶进行浸泡的步骤。
7.如权利要求1所述大孔容高比表面积硅胶的制备方法，其特征在于，所述凝胶破碎为3mm以下的颗粒后进行真空干燥。
8.如权利要求1所述大孔容高比表面积硅胶的制备方法，其特征在于，所述干燥为冷冻干燥，所述冷冻干燥的温度为-80～-20℃，在绝对压强10-103Pa下进行。
9.如权利要求8所述大孔容高比表面积硅胶的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥还包括预冷步骤，将二氧化硅在-80℃～-20℃下冷冻2-24小时。
10.权利要求1-9任一项大孔容高比表面积硅胶制备方法得到的硅胶。
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