CN118083996A - 超声制备高孔容二氧化硅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声制备高孔容二氧化硅的方法。具体制备过程如下：在室温条件下将适量的硅酸钠溶液和去离子水置于搅拌反应釜中，再将超声棒放入反应釜中，使用转子不断搅拌并加热至适当温度后使用注射泵缓慢加入硫酸。当pH值达到设置的数值时，暂停实验，随后使用两根加料管同时加入硫酸和硅酸钠，等到硅酸钠加完再加入少量硫酸将溶液酸化到pH为酸性，立即停止反应，老化适当时间后关闭加热，抽滤洗涤去除酸性离子，使用打浆机高速分散再利用喷雾干燥得到二氧化硅粉末。本专利中通过加入超声棒在制备过程中扩大二氧化硅的孔容，与传统制备方法相比在没有增加实验步骤与实验条件的情况下制备出高孔容二氧化硅。
Description
技术领域
本发明涉及一种高孔容二氧化硅的制备方法。
背景技术
二氧化硅，又称白炭黑、微细硅酸，是水合硅酸和硅酸盐的总称。二氧化硅粉末是高度分散状态的，呈无定形或者絮状，化学性质稳定，孔结构丰富、吸水性好、良好的电绝缘性等优良的性能。其中高孔容二氧化硅被广泛应用在涂料消光剂、催化剂载体、吸附材料、绝热材料等领域。目前制备高孔容二氧化硅的方法主要通过高温或高压等条件，或者在传统制备二氧化硅粉末的方法上增加其他实验步骤。如王超等（中国粉体技术,2012,18(01):13-17）以硅酸钠、硫酸为原料，硫酸作为分散相由平流泵输送到微筛孔反应器与连续相混合反应2 h，原料全部反应后，生成物经过老化、抽滤、洗涤除去副产物，将沉淀二氧化硅分散在乙醇中，搅拌均匀，用喷雾干燥器干燥成形得到样品。Misun Kang等（Micromachines,2022, 13, 926.）将硅酸钠溶液与蒸馏水混合室温下搅拌0.5 h，然后加入20 ml CTACl，在室温下搅拌24 h。然后将溶液高速离心5 min，得到白色浆液。所得到的浆料在对流烘箱中80°C干燥8小时。干燥后的材料在砂浆中细磨，在600 ℃下煅烧5 h，得到高孔容二氧化硅。Miaomiao Tan等（Fuel,2023,351）在高压反应器中加入粉煤灰和NaOH溶液，以500 rpm的搅拌速度搅拌均匀，在250℃下反应2 h，将样品加入盐酸溶液中。在45℃搅拌1.5 h后，过滤硅前驱体溶液，用于合成有序高孔容介孔硅材料。
综上，现有的高孔容二氧化硅制备方法较为繁琐，且需要由于制备条件的限制导致资源与时间成本过高。因此，本专利中加入的超声棒没有增加实验步骤，不需要加温加压，一步制备出高孔容的二氧化硅粉末。由此可以看出本发明可以保证在制备过程中不带入其它杂质且节省了实验时间和资源成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为克服现有技术中高孔容二氧化硅制备过程过于繁琐、实验条件要求高且制备周期长的难题，提供一种直接将超声棒引入制备过程中,使产品中没有其他杂质且没有增加实验周期，并且使用喷雾干燥法节省干燥时间和资源消耗。
本发明中的具体方案是：
超声制备高孔容二氧化硅，包括以下步骤：
（1）第一阶段在室温下将适量的硅酸钠与去离子水混合搅拌后加入超声棒，达到适当温度后加入适量硫酸；
（2）当pH达到设置数值时停止实验，第二阶段继续加入适量的硅酸钠与硫酸，硫酸稍过量当pH为酸性时立即停止反应，老化适当时间后停止加热；
（3）抽滤洗涤去除酸性离子，使用打浆机高速分散再利用喷雾干燥得到二氧化硅粉末。
进一步的，在（1）中，所用硫酸与硅酸钠溶液浓度分别为：15~30 %、0.08~0.14mol/L。
进一步的，在（1）中，所用去离子水与硅酸钠溶液的添加量分别为：200~400 mL、60~120 mL。
进一步的，在（1）中，所述加热温度为：45~90 ℃。
进一步的，在（2）中，所述硅酸钠溶液的添加量为：80~100 mL。
进一步的，在（2）中，所述pH为：6~9。
进一步的，在（2）中，所述老化时间为：0~60 min。
进一步的，在（1）、（2）中，所述加入硫酸与硅酸钠溶液的流速分别为：160~180 mL/h、280~300 mL/h。
进一步的，在（3）中，所述高速分散中搅拌桨的转速为： 300~600 rpm。
进一步的，在（3）中，所述喷雾干燥的温度为：100~200 ℃；所述喷雾干燥的液体流速为 5~8 mL/min，所述喷雾干燥的气体流速为40~60 L/min；所述喷雾干燥的液体固含量为3~7 %。
本专利中提出一种超声制备高孔容二氧化硅的方法，直接在实验过程中加入超声棒，没有增加实验步骤，一步制备出高孔容的二氧化硅粉末。可以保证在制备过程中不带入其它杂质且节省了实验时间和资源成本。
本发明中，所用硫酸与硅酸钠溶液浓度分别为：15~30 %、0.08~0.14 mol/L，更佳地为20~30 %、0.08~0.12 mol/L，最佳地为30 %、0.08 mol/L。
本发明中，第一阶段所用去离子水与硅酸钠溶液的添加量分别为： 200~400 mL、60~120 mL，更佳地为250~350 mL、80~100 mL，最佳地为300 mL、95 mL。
本发明中，所述加热温度为：45~90 ℃，更佳地为60~90 ℃，最佳地为80 ℃。
本发明中，第二阶段所述硅酸钠溶液的添加量为：80~100 mL，更佳地为80~90 mL，最佳地为85 mL。
本发明中，所述pH为：6~9，更佳地为7~9，最佳地为8。
本发明中，所述老化时间为：0~60 min，更佳地为20~40 min，最佳地为30 min。
本发明中，所述加入硫酸与硅酸钠溶液的流速分别为： 160~180 mL/h、280~300mL/h，更佳地为170~180 mL/h、290~300 mL/h，最佳地为172 mL/h、292 mL/h。
本发明中，所述高速分散中搅拌桨的转速为：300~600 rpm，更佳地为300~500rpm，最佳地为500 rpm。
本发明中，所述喷雾干燥的操作方式及条件按本领域常规进行。所述喷雾干燥的温度为：100~200 ℃，较佳地为150~200 ℃，最佳地为180 ℃；所述喷雾干燥液体流速较佳地为5~8 mL/min，更佳地为7 mL/min；所述喷雾干燥的气体流速较佳地为40~60 L/min，最佳地为50 L/min。
本发明中，所述喷雾干燥的液体固含量为3~7 %，最佳地为6 %。
本发明提供如上述制备方法制备得到的高孔容二氧化硅粉末。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
（1）本发明的制备方法操作简单、不需要制备中间体，可规模化量产；
（2）本发明的二氧化硅拥有高孔容特性；
（3）使用超声棒及喷雾干燥可以节省干燥时间，降低生产成本。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
（1）室温下将300 mL去离子水与95 mL的0.12 mol/L硅酸钠溶液搅拌混合，并加入超声棒，加热至85 ℃后加入硫酸，pH达到8时停止实验；
（2）使用两根加料管同时以172 mL/h、292 mL/h的速度分别加入85 mL硅酸钠与适量硫酸，得到硅酸钠加完后再加入少量硫酸将溶液酸化为pH为酸性，立即停止反应，老化30min后停止加热；
（3）抽滤洗涤去除酸性离子，将上述产品置于烧杯中加入去离子水，使得固含量为5 %，在500 rpm转速下分散；将分散后的溶液在温度、液体流速和气体流速分别为180 ℃、7mL/min和50 L/min下进行喷雾干燥。
实施例2
（1）室温下将200 mL去离子水与100 mL的0.12 mol/L硅酸钠溶液搅拌混合，并加入超声棒，加热至85 ℃后加入硫酸，pH达到6时停止实验；
（2）使用两根加料管同时以180 mL/h、300 mL/h的速度分别加入80 mL硅酸钠与适量硫酸，得到硅酸钠加完后再加入少量硫酸将溶液酸化为pH为酸性，立即停止反应，老化10min后停止加热；
（3）抽滤洗涤去除酸性离子，将上述产品置于烧杯中加入去离子水，使得固含量为3 %，在300 rpm转速下分散；将分散后的溶液在温度、液体流速和气体流速分别为100 ℃、5mL/min和40 L/min下进行喷雾干燥。
实施例3
（1）室温下将400 mL去离子水与120 mL的0.12 mol/L硅酸钠溶液搅拌混合，并加入超声棒，加热至45 ℃后加入硫酸，pH达到9时停止实验；
（2）使用两根加料管同时以160 mL/h、280 mL/h的速度分别加入100 mL硅酸钠与适量硫酸，得到硅酸钠加完后再加入少量硫酸将溶液酸化为pH为酸性，立即停止反应，老化60 min后停止加热；
（3）抽滤洗涤去除酸性离子，将上述产品置于烧杯中加入去离子水，使得固含量为7 %，在600 rpm转速下分散；将分散后的溶液在温度、液体流速和气体流速分别为200 ℃、8mL/min和60 L/min下进行喷雾干燥。
实施例4
（1）室温下将250 mL去离子水与75 mL的0.12 mol/L硅酸钠溶液搅拌混合，并加入超声棒，加热至70 ℃后加入硫酸，pH达到7时停止实验；
（2）使用两根加料管同时以170 mL/h、290 mL/h的速度分别加入90 mL硅酸钠与适量硫酸，得到硅酸钠加完后再加入少量硫酸将溶液酸化为pH为酸性，立即停止反应，老化50min后停止加热；
（3）抽滤洗涤去除酸性离子，将上述产品置于烧杯中加入去离子水，使得固含量为6 %，在400 rpm转速下分散；将分散后的溶液在温度、液体流速和气体流速分别为150 ℃、7mL/min和50 L/min下进行喷雾干燥。
效果实施例1 孔容测试
测试样品：实施例1-4所制得的二氧化硅粉末。
测试设备：比表面孔径测定仪，型号ASAP2010N。
测试结果：通过不同条件制备得到的二氧化硅粉末孔容如表1所示。
表1 不同条件制备得到的二氧化硅粉末孔容
| 实施例编号 | 二氧化硅粉末孔容 |
| 实施例1 | 2.8 cm-3/g |
| 实施例2 | 2.5 cm-3/g |
| 实施例3 | 2.7 cm-3/g |
| 实施例4 | 2.6 cm-3/g |
Claims (9)
1.超声制备高孔容二氧化硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）第一阶段是在室温下将适量的硅酸钠与去离子水混合搅拌后加入超声棒，达到适当温度后加入适量硫酸；
（2）当pH达到设置数值时停止实验，第二阶段继续加入适量的硅酸钠与硫酸，硫酸稍过量当pH为酸性时立即停止反应，老化适当时间后停止加热；
（3）抽滤洗涤去除酸性离子，使用打浆机高速分散再利用喷雾干燥得到二氧化硅粉末。
2.根据权利要求1所述高孔容二氧化硅制备方法，其特征在于，所述硫酸与硅酸钠溶液浓度分别为：15~30 %、0.08~0.14 mol/L。
3.根据权利要求1所述高孔容二氧化硅制备方法，其特征在于，所述第一阶段去离子水与硅酸钠溶液的添加量分别为： 200~400 mL、60~120 mL；第二阶段硅酸钠溶液的添加量为：80~100 mL。
4.根据权利要求1所述高孔容二氧化硅制备方法，其特征在于，所述两个阶段加入硫酸与硅酸钠溶液的流速分别为：160~180 mL/h、280~300 mL/h。
5.根据权利要求1所述高孔容二氧化硅制备方法，其特征在于，所述加热温度为：45~90℃。
6.根据权利要求1所述高孔容二氧化硅制备方法，其特征在于，所述设定的pH为：6~9。
7.根据权利要求1所述高孔容二氧化硅制备方法，其特征在于，所述老化时间为：0~60min。
8.根据权利要求1所述高孔容二氧化硅制备方法，其特征在于，所述高速分散中搅拌桨的转速为：300~600 rpm。
9.根据权利要求1所述高孔容二氧化硅制备方法，其特征在于，所述喷雾干燥的温度为：100~200 ℃；所述喷雾干燥的液体流速为 5~8 mL/min，所述喷雾干燥的气体流速为40~60 L/min；所述喷雾干燥的液体固含量为3~7 %。
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