CN1424138A

CN1424138A - 纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法及其应用

Info

Publication number: CN1424138A
Application number: CN 02149717
Authority: CN
Inventors: 方玉堂; 丁静; 杨晓西; 范娟; 杨建平
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: CN1166450C

Abstract

本发明提供一种纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法，包括下述步骤：(1)室温下将无机纤维纸浸渍在水玻璃中，10～24小时后取出，干燥10～24小时；(2)将沉淀剂配成水溶液浸渍上述无机纤维纸，充分反应12～24小时；(3)将反应后的无机纤维纸晾干，再用酸液浸渍12～24小时，然后用水冲洗至pH为中性，取出晾干，采用程序升温处理得到纳米孔径硅胶吸附剂材料。本方法制备的纳米孔径硅胶吸附剂可用于制备吸附式气体除湿干燥或吸附式制冷空调中的除湿转芯，具有吸附量大，能量消耗少，再生温度低，节能节材的优点，应用前景较广。

Description

纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及吸附式气体净化技术，特别涉及一种纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法及其应用。

背景技术

吸附式气体净化技术在低品位能源利用和环境保护方面优势显著而成为可持续性发展的技术之一。在吸附式气体净化技术中，吸附工质是决定吸附系统性能的关键，已开发的吸附工质及其组合多达百余种，但从吸附剂的实用性来选择，目前用于吸附式旋转除湿器中的吸附剂仅限于氯化锂、硅胶和分子筛等高吸湿性物质；氯化锂吸湿性好，再生温度低，但对周边金属设备具有腐蚀性；分子筛适合于低露点深度除湿，但再生温度高(250℃以上)；硅胶的性能介于二者之间，既适用于常规除湿(粗孔硅胶)又适用于低露点深度除湿(细孔硅胶)，其中细孔硅胶适用于制作硅胶除湿转芯，而制作硅胶除湿转芯的关键是硅胶与无机纤维基材的有机结合；它可采用粘合剂将硅胶粉体在无机纤维基材上粘合来制作，但由于粉体与基材两者界面作用力弱，粘附力较差，在较高温度下(150℃以上)下反复使用，易出现掉粉现象，使硅胶转芯性能不稳定，同时，粘合剂的使用会部分堵塞基材及硅胶孔道，使硅胶比表面积下降，从而使吸附效率降低；亦可在无机纤维基材上采用常规硅胶制备方法让水玻璃与酸反应，但由于受溶胶稳定性的制约难以形成高浓度溶胶，加之无机纤维不溶于水，溶胶与纤维间接触面小，因而在无机纤维上附着的溶胶量少，生成的硅胶少，，除湿效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种性能优越，吸附量大，吸附/解吸速率快、再生温度低的纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种上述纳米孔径硅胶吸附剂材料在除湿领域的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：本纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法包括下述步骤：

(1)室温下将无机纤维纸浸渍在水玻璃中，10～24小时后取出，干燥10～24小时；

(2)将沉淀剂配成水溶液浸渍上述无机纤维纸，生成的硅酸盐沉淀沉积在无机纤维的表面及其空隙中，充分反应12～24小时；

(3)将反应后的无机纤维纸晾干，再用酸液浸渍12～24小时，然后用水冲洗至pH为中性，取出晾干，采用程序升温处理得到纳米孔径硅胶吸附剂材料。

所述水玻璃模数为2.2～3.7，水玻璃浓度为10～50％(重量百分比)；水玻璃模数的选择以浸渍蜂窝除湿转芯时不堵塞蜂窝孔道为前提，其浓度的选择则以基材挂胶量尽可能多为条件，同时兼顾基材浸渍后的强度；一般水玻璃浓度越高，挂胶量越多，但基材易发脆，不利于后续处理，发明人通过反复试验，发现水玻璃的模数为2.8～3.7，水玻璃重量百分比浓度为20～35％时，所得硅胶除湿转芯具有最大吸附量。

所述沉淀剂为可溶性钙盐，如氯化钙，硝酸钙等，其浓度为5％～40％(重量百分比)；沉淀剂的浓度太低则不利于沉积，太高则沉积不均匀，会部分堵塞转芯孔道，经实验证明效果较好的配比浓度为20～35％(重量百分比)。

所述酸液浓度为0.05～1.2mol/L；在选择酸时，必须考虑酸液对转芯的腐蚀性(如硝酸)，同时要考虑酸与硅酸钙反应时除生成硅胶沉淀外，不能形成其它沉淀物(如磷酸)或微溶物(如硫酸)，较适宜的酸为盐酸。而酸浓度的选择则以水解、原位聚合保持适宜的速率为条件，浓度太高，水解、原位聚合及凝胶化速率太快，所生成的硅胶产物覆盖在硅酸钙的表面，形成阻隔层，阻止硅酸钙与酸进一步反应；浓度太低，反应速率太慢，转芯浸渍时间长；经验证其效果较好的浓度为0.3～0.8mol/L。

步骤(3)中所述程序升温处理是先在200～300℃下缓慢升温，并自然冷却，反复2～3次，再缓慢升温到500～550℃，保温1～3小时，然后自然冷却；采取程序升温工艺是为了在去除转芯中水分及挥发性杂质，并在形成Si-O-Si网络的过程中，尽可能地减小凝胶的收缩速率，避免材料内部区域应力集中而产生裂纹，降低材料的脆性。

本发明通过加入沉淀剂的方法，使生成的硅酸钙沉淀大量沉积在无机纤维的空隙及表面，然后加酸使无机纤维上的硅酸钙缓慢水解，并原位聚合，再经成型、烧结处理，合成出具有高吸附量，较低再生温度的纳米孔径吸附剂材料；所制备的纳米孔径吸附剂材料可以应用于吸附式气体除湿干燥或吸附式制冷空调中的除湿转芯装置中。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)吸附量大、能量消耗少；使用本纳米孔径吸附剂材料的除湿转芯具有较低转速，相应的转动除湿转芯的能量要求低、传输损失小；(2)吸附/解吸速率快；(3)再生温度低；这样可以大大地节省热量，从节能的角度考虑，在热源提供的热量中有用能增大，亦即提高了涌效率；(4)节能节材；利用本发明制备的纳米孔径硅胶吸附剂材料具有较高的吸湿量和较低的工作温度，可以减少设备体积和降低能耗，达到节能节材的目的；经实验证明，利用本发明方法制备的纳米孔径硅胶吸附剂材料其性能明显优于同类型产品，本纳米孔径硅胶吸附剂材料可使除湿转芯体积缩小20％～30％、能耗降低25～35％，节材节能效果显著。

附图说明

图1是用本发明方法制备的纳米孔径硅胶吸附剂在298K时的等温吸附曲线。

图2是不同吸附剂[硅胶(实施例1制备)、细孔硅胶、4A分子筛]在298K时的等温吸附曲线图。

图3是298K，3.0KPa水蒸气分压下，硅胶吸附剂(实施例1制备)的吸附量随时间的变化图。

图4是13.0KPa水蒸气分压下不同吸附剂解吸能力的比较图。

图5是实施例1制备的硅胶的孔径分布图。

具体实施方式

本发明人经过几年的研制，有很多成功实施例。为了更好地说明本发明既增大了除湿量，改善了吸附性能，又降低了再生温度，扩大了再生能源的使用范围，下面列举本发明的3个实施例，并结合附图对其技术性能指标进行比较，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)室温下，在200L圆形塑料容器中，加入120L水，然后加入模数为3.0的水玻璃40Kg，搅拌均匀后，将无机纤维纸制成的已经成型的蜂窝转芯(500mm×200mm)放入其中浸渍12小时，使其充分浸润，取出晾干，然后在60℃下低温干燥18小时，冷却至室温；(2)称取25Kg的无水氯化钙溶解于125L的水中，将上述蜂窝转芯浸入其中，反应12小时后取出晾干，再置于烘箱中于60℃低温干燥24小时，冷却至室温；(3)量取10L的工业浓盐酸稀释到160L，将上述蜂窝转芯浸入其中，20小时后取出用水冲洗至pH为中性，晾干后在40℃恒温干燥箱中干燥24小时，然后将转芯放置在智能恒温烧结炉中，先在200～300℃下缓慢升温，并自然冷却，反复2～3次，再缓慢升温到500～550℃，保温1～3小时，然后自然冷却到室温得到含纳米孔径硅胶吸附剂的除湿转芯。

实施例2

(1)室温下，在200L圆形塑料容器中，加入100L水，然后加入模数为3.0的水玻璃40Kg，搅拌均匀后，将无机纤维纸制成的已经成型的蜂窝转芯(500mm×200mm)放入其中浸渍12小时，使其充分浸润，取出晾干，然后在60℃下低温干燥18小时，冷却至室温；(2)称取30Kg无水氯化钙溶解于120L的水中，将上述蜂窝转芯浸入其中，反应12小时后取出晾干，再置于烘箱中于60℃低温干燥24小时，冷却至室温；(3)量取10L的工业浓盐酸稀释到160L，将上述蜂窝转芯浸入其中，20小时后取出用水冲洗至pH为中性，晾干后40℃恒温干燥箱中干燥24小时，然后将转芯放置在智能恒温烧结炉中，先在200～300℃下缓慢升温，并自然冷却，反复2～3次，再缓慢升温到500～550℃，保温1～3小时，然后自然冷却到室温得到含纳米孔径硅胶吸附剂的除湿转芯。

实施例3

(1)室温下，在200L圆形塑料容器中，加入120L水，然后加入模数为3.0的水玻璃30Kg，搅拌均匀后，将无机纤维纸制成的已经成型的蜂窝转芯(500mm×200mm)放入其中浸渍12小时使其充分浸润，取出晾干，然后在60℃下低温干燥18h，冷却至室温；(2)称取20Kg的无水氯化钙溶解于140L的水中，将上述蜂窝转芯浸入其中，12小时后取出晾干，再置于烘箱中于60℃低温干燥24小时，冷却至室温；(3)量取9L的工业浓盐酸稀释到160L，将上述蜂窝转芯浸入其中，20小时后取出用水冲洗至pH为中性，晾干后在40℃恒温干燥箱中干燥24小时，然后将转芯放置在智能恒温烧结炉中，先在200～300℃下缓慢升温，并自然冷却，反复2～3次，再缓慢升温到500～550℃，保温1-3h，然后自然冷却到室温得到含纳米孔径硅胶吸附剂材料除湿转芯。

对上述实施例所制备的吸附剂材料进行等温吸附特性测试。图1为按不同配比所得硅胶吸附剂在298K时的等温吸附曲线，由图1可以看出，采用本制备方法所得的硅胶吸附剂具有很高的吸附性能，并以采用例1所得的硅胶吸附性能较好，达65.7％；图2是不同吸附剂等温吸附曲线，由图2可知，本发明制备的硅胶吸附剂的吸附性能，明显好于同类型(细孔硅胶)、分子筛等产品；图3所示为硅胶吸附量随时间的变化，可见硅胶吸附剂在前15分钟具有很高的吸附速率，其后吸附速率变缓；图4为不同吸附剂解吸能力的比较，从图4中可以看出，硅胶吸附剂的解吸能力与细孔硅胶相当，但明显高于分子筛，这表明硅胶吸附剂具有较低的再生温度；图5为实施例1所得硅胶吸附剂的孔径分布，测试结果表明，硅胶吸附剂孔径绝大部分落在3～6nm的范围内，由于硅胶孔径小，比表面积大，因而对水蒸汽具有巨大的吸附能力。

综上所述，利用本发明方法所制备的纳米孔径硅胶吸附剂其性能参数明显优于同类型吸附剂，具有吸附量大，吸附/解吸速率快，再生温度低，节能节材效果显著等优点，能广泛地应用到除湿转轮的生产制造中。

Claims

1、一种纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：(1)室温下将无机纤维纸浸渍在水玻璃中，10～24小时后取出，干燥10～24小时；(2)将沉淀剂配成水溶液浸渍上述无机纤维纸，充分反应12～24小时；(3)将反应后的无机纤维纸晾干，再用酸液浸渍12～24小时，然后用水冲洗至pH为中性，取出晾干，采用程序升温处理得到纳米孔径硅胶吸附剂材料。

2、根据权利要求1所述的纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法，其特征在于：所述水玻璃模数为2.2～3.7，水玻璃浓度为10～50％(重量百分比)。

3、根据权利要求1所述的纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法，其特征在于：所述沉淀剂为可溶性钙盐，其浓度为5％～40％(重量百分比)。

4、根据权利要求3所述的纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法，其特征在于：所述沉淀剂的浓度为20～35％(重量百分比)。

5、根据权利要求3所述的纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法，其特征在于：所述沉淀剂为氯化钙或硝酸钙。

6、根据权利要求1所述的纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法，其特征在于：所述酸液浓度为0.05～1.2mol/L。

7、根据权利要求6所述的纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法，其特征在于：所述酸液的浓度为0.3～0.8mol/L。

8、根据权利要求1所述的纳米孔径硅胶吸附剂材料的制备方法，其特征在于：所述程序升温处理是先在200～300℃下缓慢升温，并自然冷却，反复2～3次，再缓慢升温到500～550℃，保温1～3小时，然后自然冷却。

9、一种纳米孔径硅胶吸附剂材料的应用，其特征在于：用于制备吸附式气体除湿干燥或吸附式制冷空调中的除湿转芯。