KR20140023827A - Method for preparing hydrophobic surface aerogel by using silica gel recovered from slag and aerogel prepared therefrom - Google Patents

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KR20140023827A
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Abstract

The present invention relates to the manufacturing method of hydrophobic aerogel using silica collected from slag and to granular aerogel. The manufacturing method of hydrophobic aerogel using silica collected from slag consists of a first aging step through which 1-10 parts by weight of water per 1 parts by weight of slag is added; a second aging step through which the reactant is aged at 20-90 °C so that silica wet gel and metal salt are obtained; a step for obtaining high purity silica wet gel by washing and filtering the metal salt; a step through which putting the silica wet gel into a mixed solution which includes a silylating agent and one or more kinds of hydrophobic alcohol solvents selected from propanol, n-butanol, n-pentanol, n-hexanol, and n-octanol and simultaneously conducting a sylation process and a solvent substation process; and a drying step. By the present invention, slag can be sufficiently recycled by using silica gel collected from slag, and the hydrophobic aerogel obtained by the present invention has excellent insulating performance, soundproof performance, light weight, and low dielectric performance so that it can be usefully applied to related fields. [Reference numerals] (AA) Slag; (BB) Water; (CC) Aging I; (DD) Inorganic acid; (EE) Forming silica wet gel; (FF) Aging II; (GG) Washing; (HH) Filtering; (II) Silica wet gel + Silylating agent; (JJ) n-butanol and n-pentanol; (KK) Vacuum distillation; (LL) Collecting a solvent; (MM) Water removal; (NN) Drying; (OO) Aerogel

Description

슬래그로부터 회수한 실리카겔을 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법 및 이로부터 제조된 에어로겔{Method for preparing hydrophobic surface aerogel by using silica gel recovered from slag and aerogel prepared therefrom}[0001] The present invention relates to a method for producing a hydrophobic aerogel using silica gel recovered from slag and an airgel produced therefrom,

본 발명은 슬래그로부터 회수한 실리카겔을 이용하여 소수성 에어로겔을 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 에어로겔에 관한 것으로, 보다 상세하게 슬래그를 무기산으로 처리하여 획득되는 실리카겔을 이용하여 에어로겔을 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 소수성 에어로겔에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a hydrophobic aerogel using silica gel recovered from slag and an airgel produced therefrom. More particularly, the present invention relates to a method for producing an aerogel using silica gel obtained by treating slag with inorganic acid, The present invention relates to a hydrophobic aerogel produced.

제철소에서 발생되는 폐기물 중 슬래그는 실리카(SiO2)와 산화칼슘을 다량 포함하며, 그 밖에 Al, Fe, Mg, Mn 등의 금속 성분들이 미량 함유되어 있다. 이러한 슬래그는 연간 1,000만톤 정도의 막대한 양이 배출되고 있으며, 이러한 슬래그의 재활용은 유가 자원의 재활용 측면에서 관심의 대상이 되고 있다.
Of the wastes generated in the steelworks, slag contains a large amount of silica (SiO 2 ) and calcium oxide, and also contains a small amount of metal components such as Al, Fe, Mg and Mn. These slag have generated an enormous amount of 10 million tons per year, and the recycling of such slag is of interest in terms of the recycling of oil resources.

현재 슬래그는 노반재, 토목용 골재, 또는 시멘트의 원료로 사용되거나, 혹은 슬래그 중의 Ca 성분이나 실리카 성분을 이용한 토지 개량제 등으로 활용되고 있다.
Currently, slag is used as a raw material for roadbed, civil engineering aggregate, or cement, or as a land improvement agent using Ca component or silica component in slag.

그러나, 슬래그를 노반재로 사용하기 위해서는 자유(free) CaO로 인한 팽창을 방지하기 위해 일정 기간을 방치하거나 또는 수증기 등으로 전처리하여야 하며, 따라서 재활용에 많은 제약이 따른다. 또한, 슬래그를 시멘트 원료로 사용하기 위해서는 슬래그의 미립화에 많은 비용이 소요되며, 물류 비용의 부담도 만만치 않아 활용이 어려운 실정이다.
However, in order to use the slag as a roadbed material, it is necessary to stand for a certain period of time or to pretreat it with steam or the like in order to prevent the expansion due to free CaO, and therefore there are many restrictions on recycling. In addition, in order to use slag as a raw material for cement, it is very difficult to utilize slag because it is expensive to atomize slag and the burden of logistics cost is insufficient.

한편, 실리카는 치약, 물감, 코팅, 제지, 건축용 재료, 촉매 혹은 촉매 담체, 연마제, 흡착제 등의 다양한 분야에 사용될 뿐만 아니라, 실리카 겔은 첨단 소재인 에어로겔의 제조 원료로도 사용된다. 따라서, 슬래그 중에 포함되어 있는 실리카, 특히 실리카겔을 회수하여 적용할 수 있는 슬래그의 재활용 방법이 요구된다.
On the other hand, silica is used not only in various fields such as dentifrices, paints, coatings, paper, construction materials, catalysts or catalyst carriers, abrasives and adsorbents, but silica gel is also used as a raw material for producing aerogels which are high-tech materials. Therefore, there is a need for a method for recycling slag that can be applied by recovering silica, especially silica gel, contained in the slag.

이에 본 발명의 한 측면은, 특정한 조건에서 슬래그로부터 회수한 실리카겔을 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법을 제공하는 것이다.
Accordingly, one aspect of the present invention provides a method for producing a hydrophobic aerogel using silica gel recovered from slag under specific conditions.

이에 본 발명의 다른 측면은, 이러한 방법을 이용하여 제조된 소수성 에어로겔을 제공하는 것이다.
Another aspect of the present invention is to provide a hydrophobic aerogel produced using this method.

본 발명의 일 견지에 의하면, 슬래그 1 중량부 당 1 내지 10 중량부의 물을 첨가하여 숙성하는 제1 숙성 단계; 상기 숙성된 슬래그와 슬래그 1 중량부 당 0.5 내지 3 중량부의 무기산을 반응시키는 단계; 상기 반응물을 20℃ 내지 90℃의 온도에서 숙성하여 실리카 습윤겔 및 금속염을 획득하는 제2 숙성 단계; 상기 금속염을 세척 및 여과하여 고순도의 실리카 습윤겔을 회수하는 단계; 상기 실리카 습윤겔을 프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올 및 n-옥탄올로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 소수성 알코올 용매 및 실릴화제를 포함하는 혼합 용액에 넣고 실릴화 및 용매 치환 공정을 동시에 수행하는 단계; 및 건조하는 단계를 포함하는, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법이 제공된다.
According to one aspect of the present invention, there is provided a method for producing a slag, comprising: a first aging step in which 1 to 10 parts by weight of water is added per 1 part by weight of slag; Reacting the aged slag with 0.5 to 3 parts by weight of inorganic acid per 1 part by weight of slag; A second aging step of aging the reaction product at a temperature of from 20 캜 to 90 캜 to obtain a silica wet gel and a metal salt; Washing and filtering the metal salt to recover a high purity silica wet gel; The silica wet gel is put into a mixed solution containing at least one hydrophobic alcohol solvent and silylating agent selected from the group consisting of propanol, n-butanol, n-pentanol, n-hexanol and n-octanol, Performing a solvent replacement step at the same time; And a step of drying, wherein the hydrophobic aerogels are recovered from the slag.

상기 슬래그는 고로슬래그, 제강슬래그, 전기로슬래그, 정련슬래그, 수재슬래그, 및 괴재슬래그로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
It is preferable that the slag is at least one selected from the group consisting of blast furnace slag, steel making slag, electric furnace slag, refining slag, water glass slag, and sponge slag.

상기 무기산은 질산 및 염산으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
The inorganic acid is preferably at least one selected from the group consisting of nitric acid and hydrochloric acid.

상기 무기산은 농도가 3N 내지 12N인 것이 바람직하다.
The inorganic acid preferably has a concentration of 3N to 12N.

상기 제2 숙성 단계는 3 내지 48 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
The second aging step is preferably performed for 3 to 48 hours.

상기 여과는 1.5 내지 5 기압으로 가압하여 수행하는 방법, 30 내지 200 mmHg로 감압하여 수행하는 방법 및 1,000 내지 10,000 RPM으로 원심분리하여 수행하는 방법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.
The filtration is preferably carried out using any one of the following methods: pressurization at a pressure of 1.5 to 5 atm, reduction at 30 to 200 mmHg, and centrifugation at 1,000 to 10,000 RPM.

상기 금속염의 세척은 세척 후 pH가 5 내지 8이 되도록 물 또는 1N 이하의 알칼리 수용액을 사용하여 1 내지 8회 수행하는 것이 바람직하다.
It is preferable that the metal salt is washed 1 to 8 times by using water or an alkali aqueous solution of 1N or less so that the pH is 5 to 8 after washing.

상기 실리카 습윤겔은 수분 함유량이 70% 이상인 다공성 실리카 습윤겔인 것이 바람직하다.
Preferably, the silica wet gel is a porous silica wet gel having a moisture content of 70% or greater.

상기 금속염은 질산칼슘, 질산알루미늄, 질산철, 질산마그네슘, 질산망간, 염화칼슘, 염화알루미늄, 염화철, 염화마그네슘 및 염화망간으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
The metal salt preferably includes at least one selected from the group consisting of calcium nitrate, aluminum nitrate, iron nitrate, magnesium nitrate, manganese nitrate, calcium chloride, aluminum chloride, iron chloride, magnesium chloride and manganese chloride.

상기 실릴화제는 헥사메틸디실란, 트리메톡시실란, 트리메톡시메틸실란, 에틸트리에톡시실란, 트리에틸에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 메톡시트리메틸실란, 트리메틸클로로실란, 헥사메틸디실록산(HMDSO) 및 트리에틸클로로실란으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
The silylating agent may be selected from the group consisting of hexamethyldisilane, trimethoxysilane, trimethoxymethylsilane, ethyltriethoxysilane, triethylethoxysilane, methyltrimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, methoxytrimethylsilane, trimethyl It is preferably at least one selected from the group consisting of chlorosilane, hexamethyldisiloxane (HMDSO) and triethylchlorosilane.

본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기와 같은 방법으로 제조된 입자의 평균 직경이 2 내지 200 ㎛인 입상형 소수성 에어로겔이 제공된다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a particulate hydrophobic aerogel having an average diameter of 2 to 200 mu m of particles produced by the above method.

상기 입상형 소수성 에어로겔은 비표면적이 400 내지 1300 m2/g인 것이 바람직하다.
The particulate hydrophobic aerogels preferably have a specific surface area of 400 to 1300 m 2 / g.

상기 입상형 소수성 에어로겔의 평균 기공 직경은 7 내지 200 nm인 것이 바람직하다.
The average pore diameter of the particulate hydrophobic aerogels is preferably 7 to 200 nm.

본 발명에 의하면, 슬래그로부터 회수한 실리카 습윤겔을 이용하여 에어로겔을 제조함으로써 슬래그를 유용하게 재활용할 수 있으며, 본 발명의 방법에 의해 획득되는 소수성 에어로겔은 우수한 단열성, 방음성, 경량성, 저유전성 등을 가지므로 관련 분야에 유용하게 적용될 수 있다.
According to the present invention, slag can be usefully recycled by producing aerogels using the silica wet gel recovered from the slag, and the hydrophobic aerogels obtained by the method of the present invention are excellent in heat insulation, soundproofness, light weight, It can be usefully applied to related fields.

도 1은 본 발명에 따른 예시적인 제조 공정의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시에 2에 의해 형성된 에어로겔의 기공 직경의 분포도를 측정하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 의해 형성된 실리카 습윤겔의 세척 횟수에 따른 순도를 측정하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시에 2에 의해 형성된 에어로겔의 입자 직경의 분포도를 측정하여 나타낸 것이다.
1 shows a schematic diagram of an exemplary manufacturing process according to the present invention.
Fig. 2 is a graph showing the distribution of pore diameters of aerogels formed by Embodiment 2 of the present invention. Fig.
3 shows the purity of the silica wet gel formed according to the present invention by measuring the number of times of washing.
Fig. 4 is a graph showing the distribution of particle diameters of aerogels formed by Embodiment 2 of the present invention. Fig.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.

본 발명은 슬래그를 물에 숙성시킨 후 무기산과 반응시켜 슬래그 중에 포함되어 있는 실리카 습윤겔을 획득하고, 이를 이용하여 에어로겔을 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing an aerogel by obtaining silica wet gel contained in slag by aging slag with water and reacting with inorganic acid.

보다 상세하게, 본 발명에 의하면, 슬래그 1 중량부 당 1 내지 10 중량부의 물을 첨가하여 숙성하는 제1 숙성 단계; 상기 숙성된 슬래그와 슬래그 1 중량부 당 0.5 내지 3 중량부의 무기산을 반응시키는 단계; 상기 반응물을 20℃ 내지 90℃의 온도에서 숙성하여 실리카 습윤겔 및 금속염을 획득하는 제2 숙성 단계; 상기 금속염을 세척 및 여과하여 고순도의 실리카 습윤겔을 회수하는 단계; 상기 실리카 습윤겔을 프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올 및 n-옥탄올로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 소수성 알코올 용매 및 실릴화제를 포함하는 혼합 용액에 넣고 실릴화 및 용매 치환 공정을 동시에 수행하는 단계; 및 건조하는 단계를 포함하는, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법이 제공된다. 도 1 에는 본 발명에 따른 예시적인 방법을 나타낸 것이다.
More specifically, according to the present invention, there is provided a method for producing a slag, comprising: a first aging step in which 1 to 10 parts by weight of water is added per 1 part by weight of slag; Reacting the aged slag with 0.5 to 3 parts by weight of inorganic acid per 1 part by weight of slag; A second aging step of aging the reaction product at a temperature of from 20 캜 to 90 캜 to obtain a silica wet gel and a metal salt; Washing and filtering the metal salt to recover a high purity silica wet gel; The silica wet gel is put into a mixed solution containing at least one hydrophobic alcohol solvent and silylating agent selected from the group consisting of propanol, n-butanol, n-pentanol, n-hexanol and n-octanol, Performing a solvent replacement step at the same time; And a step of drying, wherein the hydrophobic aerogels are recovered from the slag. Figure 1 illustrates an exemplary method in accordance with the present invention.

일반적으로 슬래그는 다량의 실리카 및 산화칼슘을 포함하며, 기타 산화알루미늄, 철, 망간, 마그네슘, 몰리브덴, 인 등을 미량으로 포함한다.
Generally, the slag contains a large amount of silica and calcium oxide, and contains a small amount of other aluminum oxide, iron, manganese, magnesium, molybdenum, phosphorus and the like.

상기 슬래그는 당해 기술분야에 알려져 있는 어떠한 슬래그가 사용될 수 있으며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 고로슬래그, 제강슬래그, 전기로슬래그, 정련슬래그, 수재슬래그, 및 괴재슬래그로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 슬래그가 사용될 수 있다. 상기 슬래그는 단독으로 혹은 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.
The slag may be any slag known in the art and may be selected from the group consisting of, but not limited to, for example, blast furnace slag, steel slag, electric furnace slag, refining slag, At least one slag may be used. The slag may be used singly or in combination of two or more.

상기 슬래그는 무기산과의 반응성 및 수율을 고려하여 10 메쉬 내지 500 메쉬(mesh), 바람직하게는 30 메쉬 내지 200 메쉬 크기로 분쇄하여 사용하는 것이 바람직하다.
The slag is preferably pulverized in a size of 10 mesh to 500 mesh, preferably 30 mesh to 200 mesh, considering reactivity with inorganic acid and yield.

본 발명의 방법에서는 슬래그와 물 및 무기산을 반응시킴으로써 실리카가 이온 상태인 실리카졸에서 망목 구조인 실리카 습윤겔(hydrogel)로 전이하면서 그물망 구조를 형성하게 된다. 원하는 실리카 습윤겔을 획득하기 위해서는 슬래그에 물을 첨가하여 숙성하면서 안정화시키는 단계 및 후속적으로 무기산을 반응시키는 단계가 중요하며, 특히 바람직한 특성의 실리가 습윤겔을 획득하기 위해서는 슬래그와 무기산을 반응시키는 단계가 특정한 조건에서 수행되어야 한다.
In the method of the present invention, the silica is converted from a silica sol having an ionic state to a silica wetgel (hydrogel) having a network structure by reacting slag with water and inorganic acid, thereby forming a network structure. In order to obtain the desired silica wet gel, it is important to add water to the slag, aging and stabilizing it, and subsequently reacting the inorganic acid. In order to obtain a silica gel wet gel having particularly desirable characteristics, The step should be performed under specific conditions.

상기 슬래그와 무기산의 반응은 폭발적으로 반응할 뿐만 아니라 반응 온도가 수 분 내에 150℃ 이상으로 급격하게 상승하며, 이러한 반응 온도의 상승으로 인하여 유독한 산 증기가 발산되고, 이와 함께 화학적으로 불안정한 금속염이 형성된다. 예를 들어, 질산은 130℃ 이상의 온도에서는 아질산으로 변화되므로 불안정할 뿐만 아니라 다른 성질의 금속염이 형성된다.
The reaction between the slag and the inorganic acid not only explosively reacts but also the reaction temperature rapidly rises to 150 ° C or higher within a few minutes. Due to the increase of the reaction temperature, poisonous acid vapor is emitted, and a chemically unstable metal salt . For example, nitric acid is converted to nitrite at a temperature of 130 ° C or higher, which is not only unstable but also forms a metal salt of a different nature.

따라서, 이러한 슬래그와 무기산의 폭발적인 반응 및 반응 온도 상승으로 인한 문제를 방지하기 위해, 상기 제1 숙성 단계에서 슬래그와 무기산의 반응 전에 물을 슬래그 1 중량부 당 1 내지 10중량부로 첨가하여 슬래그에 물이 충분이 접촉될 수 있도록 숙성하여 안정화함으로써 슬래그와 무기산의 반응 온도 및 망목 구조를 제어하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 상기 물을 슬래그 1 중량부 당 3 내지 8 중량부로 첨가한다.
Therefore, in order to prevent the explosion reaction between the slag and the inorganic acid and the problem caused by the increase in the reaction temperature, water is added in an amount of 1 to 10 parts by weight per 1 part by weight of the slag before the reaction of the slag and the inorganic acid in the first aging step, It is preferable to control the reaction temperature and the network structure of the slag and the inorganic acid by aging and stabilize them so that they can be sufficiently contacted. More preferably, the water is added in an amount of 3 to 8 parts by weight per 1 part by weight of the slag.

물을 슬래그 1 중량부 당 1 중량부 미만으로 첨가하는 경우에는 반응이 폭발적으로 일어나서 반응 온도가 급격하게 상승하는 문제가 있으며, 물을 슬래그 1 중량부 당 10 중량부를 초과하여 첨가하는 경우에는 무기산의 공격성을 낮추어 슬래그의 실리카 성분을 충분히 용출시키지 못하는 문제가 있다. 물을 상기 범위 내의 양으로 투입하는 것이 무기산의 급격한 반응성 및 반응 온도 제어의 측면에서 바람직하다.
When water is added in an amount of less than 1 part by weight per 1 part by weight of slag, the reaction occurs explosively and the reaction temperature rapidly increases. When water is added in an amount exceeding 10 parts by weight per 1 part by weight of slag, The aggressiveness is lowered and the silica component of the slag can not be sufficiently eluted. The introduction of water in an amount within the above range is preferable in view of the rapid reactivity of the inorganic acid and the control of the reaction temperature.

한편, 상기 물을 첨가하여 숙성하는 제1 숙성 단계는 1 내지 9 시간 동안 수행되는 것이 바람직하며, 2 내지 5 시간 동안 수행되는 것이 보다 바람직하다. 상기 제1 숙성 단계가 1 시간 미만으로 수행되는 경우에는 슬래그 내부에 물이 충분히 흡수되지 못하여 이후 무기산과의 반응에서 불안정한 문제가 있으며, 상기 단계가 9 시간을 초과하는 시간 동안 수행되는 경우에는 공정 시간이 길어지는 문제가 있다.
On the other hand, the first aging step in which water is added and aged is preferably performed for 1 to 9 hours, more preferably for 2 to 5 hours. If the first aging step is carried out for less than 1 hour, the water is not sufficiently absorbed in the slag and is unstable in reaction with inorganic acid. If the step is carried out for more than 9 hours, There is a problem that this becomes longer.

슬래그와 무기산의 반응은 자발적인 발열 반응으로써 폭발적으로 진행되며, 슬래그와 무기산의 접촉에 의해 반응이 진행된다.
The reaction between the slag and the inorganic acid proceeds explosively as a spontaneous exothermic reaction, and the reaction proceeds by the contact between the slag and the inorganic acid.

상기 접촉은 슬래그와 무기산이 접촉될 수 있도록 하는 당해 기술분야에 알려져 있는 어떠한 수단에 의해 수행될 수 있으며, 특히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 혼합, 믹싱, 교반, 적가, 분사 등을 포함할 수 있다.
The contacting can be carried out by any means known in the art which allows the slag to contact the inorganic acid and includes, but is not limited to, for example, mixing, mixing, stirring, dropping, .

상기 슬래그와 무기산을 반응시키는 단계는 슬래그 1 중량부 당 0.5 내지 3 중량부의 무기산이 사용되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 슬래그 1 중량부 당 1 내지 2 중량부의 무기산이 사용된다.
In the step of reacting the slag with the inorganic acid, 0.5 to 3 parts by weight of inorganic acid is preferably used per 1 part by weight of the slag, and more preferably 1 to 2 parts by weight of inorganic acid is used per 1 part by weight of the slag.

무기산이 슬래그 1 중량부 당 0.5 중량부 미만으로 사용되는 경우에는 슬래그 중의 실리카 성분이 충분히 용출되지 않아 미반응된 슬래그 불순물이 혼재되는 문제가 있으며, 무기산이 슬래그 1 중량부 당 3 중량부를 초과하여 사용되는 경우에는 실리카의 이온 상태인 실리카졸이 망목상 구조로 전이되지 못하고 잔존하거나 단순한 실리카 입자로 침전되는 문제가 있다. 슬래그와 무기산의 반응성, 슬래그 중 실리카겔 성분의 충분한 용출 및 안정한 형태의 망목 구조의 실리카 습윤겔의 형성 측면에서 무기산은 상기 본 발명의 범위 내의 함량으로 사용되는 것이 바람직하다.
When the inorganic acid is used in an amount of less than 0.5 part by weight per 1 part by weight of the slag, the silica component in the slag is not sufficiently eluted and unreacted slag impurities are mixed. Inorganic acids are used in an amount exceeding 3 parts by weight per 1 part by weight of slag There is a problem that the silica sol in the ionic state of silica does not transfer to the network structure and remains or precipitates as simple silica particles. In view of the reactivity of the slag with the inorganic acid, the sufficient elution of the silica gel component in the slag, and the formation of the silica wet-gel of the stable-type network structure, it is preferable that the inorganic acid is used in the content within the scope of the present invention.

슬래그와 무기산을 반응시키는 단계에 후속적으로 그 결과 반응물을 20℃ 내지 90℃의 온도에서 숙성하는 제2 숙성 단계에 의해 실리카 습윤겔 및 금속염을 획득할 수 있다. 보다 바람직하게 상기 제2 숙성 단계는 30℃ 내지 80℃의 범위에서 수행된다. 상기 온도가 20℃ 미만인 경우에는 망목 구조를 이루는 겔화 시간이 매우 길어지는 문제가 있으며, 상기 온도가 90℃를 초과하는 경우에는 무기산의 증기 발산이 발생하는 문제가 있다.
The step of reacting the slag with the inorganic acid may subsequently be followed by a second aging step in which the reactants are aged at a temperature of from 20 캜 to 90 캜 to obtain the silica wet gel and the metal salt. More preferably, the second aging step is carried out at a temperature in the range of 30 캜 to 80 캜. If the temperature is lower than 20 ° C, there is a problem that the gelling time of the network structure becomes very long. When the temperature exceeds 90 ° C, there is a problem that the vaporization of inorganic acid occurs.

한편, 상기에서 획득된 실리카 습윤겔 및 금속염 중 상기 금속염을 세척 및 여과하여 고순도의 실리카 습윤겔을 회수할 수 있다.
On the other hand, the silica wet gel obtained above and the metal salt in the metal salt may be washed and filtered to recover a high purity silica wet gel.

상기 무기산으로는 질산 및 염산으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종 이상이 사용될 수 있으며, 즉 상기 무기산은 단독으로 혹은 2종 이상이 함께 사용될 수 있다.
The inorganic acid may be at least one selected from the group consisting of nitric acid and hydrochloric acid, that is, the inorganic acid may be used singly or in combination of two or more.

실리카겔을 포함하는 슬래그와 무기산은 예를 들어, 하기 반응식 (1) 및/또는 (2)와 같이 반응할 수 있다. 하기 반응식에서 n은 금속의 전하에 따라 달라지는 값이다.
The slag containing silica gel and the inorganic acid can be reacted, for example, according to the following reaction formulas (1) and / or (2). In the following reaction formula, n is a value that depends on the charge of the metal.

슬래그(Si,Ca,Al,Fe,Mg 등 포함)+HNO3→SiO2↓+M(NO3)n, M=Ca,Al,Fe,Mg등 (1)
Slag (including Si, Ca, Al, Fe, and Mg) + HNO 3 → SiO 2 ↓ + M (NO 3 ) n, M =

슬래그(Si,Ca,Al,Fe,Mg 등 포함)+HCl→SiO2↓+M(Cl)n, M=Ca,Al,Fe,Mg 등 (2)Slag (including Si, Ca, Al, Fe and Mg) + HCl → SiO 2 ↓ + M (Cl) n, M = Ca, Al,

본 발명에 사용되는 상기 무기산은 농도가 3N 내지 12N인 것이 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 5N 내지 10N인 것을 사용한다.
The inorganic acid used in the present invention may have a concentration of 3N to 12N, more preferably 5N to 10N.

상기 무기산의 농도가 3N 미만인 것을 이용하는 경우에는 보다 많은 양의 산이 사용되어야 하며, 농도가 12N를 초과하는 무기산을 이용하는 경우에는 과도한 무기산 농도로 인하여 무기산이 슬래그와 접촉함과 동시에 반응이 폭발적으로 일어나므로 반응의 제어가 어렵기 때문에 불균일한 망목 구조의 실리카 습윤겔이 형성되거나 또는 부분적으로 실리카 입자로 침전물이 형성될 수 있는 문제가 있다. 상기 본 발명에 의한 농도의 무기산을 사용하는 것이 슬래그 중에 포함되어 있는 실리카겔 성분의 용출 및 무기산과 슬래그의 반응 제어 측면에서 바람직하다.
When the inorganic acid having a concentration of less than 3N is used, a larger amount of acid should be used, and when an inorganic acid having a concentration exceeding 12N is used, the inorganic acid is contacted with the slag due to excessive inorganic acid concentration and the reaction occurs explosively There is a problem in that it is difficult to control the reaction so that a silica wet gel of a non-uniform network structure may be formed or a precipitate may be partially formed with silica particles. Use of the inorganic acid at the concentration according to the present invention is preferable in terms of elution of the silica gel component contained in the slag and control of the reaction between the inorganic acid and the slag.

한편, 상기 제2 숙성 단계는 3 시간 내지 48 시간 동안 수행되는 것이 바람직하며, 10 내지 24 시간 동안 수행되는 것이 보다 바람직하다. 상기 단계가 3 시간 미만으로 수행되는 경우에는 실리카 겔의 망목 구조가 충분히 형성되지 않는 문제가 있으며, 상기 단계가 48 시간을 초과하는 시간 동안 수행되는 경우에는 과도한 공정 시간으로 인하여 일부 망목 구조 내부의 수분이 빠져나오거나 증발하여 실리카 습윤겔의 내부 구조가 수축될 수 있는 문제가 있으며 나아가 경제적인 측면에서도 바람직하지 않다.
Meanwhile, the second aging step is preferably performed for 3 to 48 hours, more preferably for 10 to 24 hours. If the step is carried out for less than 3 hours, there is a problem that the network structure of the silica gel is not sufficiently formed. If the step is performed for more than 48 hours, due to excessive processing time, There is a problem that the internal structure of the silica wet gel may be shrunk, and furthermore, it is not preferable from the economical point of view.

상기 슬래그와 물의 첨가 및 무기산의 반응 단계는 교반식 반응기와 관형 반응기 모두에서 수행될 수 있으나, 망목상 구조의 반응성을 고려하여 교반식 반응기를 사용하는 것이 바람직하다. 교반식 반응기란 원통형의 반응기 내부에 교반 임팰러 장치가 구비되어 있고, 스크류 이송 장치에 의해 슬래그가 원통형 반응기의 상단에서 이송되며, 원통형 반응기의 상부에 구비된 홀(Hole) 또는 노즐을 통해 슬래그에 물과 무기산이 투입되어 슬래그로부터 실리카 습윤겔을 형성하여 획득할 수 있는 것으로, 바람직하게는 무기산과의 반응이 시작되는 동시에 교반을 멈추고 숙성 과정을 진행할 수 있도록 하여야 매우 안정적인 망목 구조를 갖는 실리카 습윤겔이 획득될 수 있다.
The addition of the slag and water and the step of reacting the inorganic acid can be carried out in both the stirred reactor and the tubular reactor, but it is preferable to use the stirred reactor in consideration of the reactivity of the network structure. The stirring reactor is equipped with a stirring impeller device inside a cylindrical reactor. The slag is conveyed from the upper end of the cylindrical reactor by a screw conveying device, and passes through a hole or a nozzle provided in the upper part of the cylindrical reactor, Water and inorganic acid are added to form a silica wet gel from the slag. Preferably, the reaction with the inorganic acid is started, and at the same time, the agitation is stopped and the aging process can be proceeded. The silica wet gel having a very stable network structure Can be obtained.

상기와 같은 슬래그와 무기산의 반응 및 제2 숙성 단계를 거쳐 얻어지는 반응 생성물에는 실리카 습윤겔이 고상으로 존재하며, 슬래그에 포함되어 있는 기타 금속 성분의 염이 용해된 상태로 존재한다. 따라서, 상기 금속염을 세척 및 여과하여 고순도의 실리카 습윤겔을 회수할 수 있다.
In the reaction product obtained through the reaction between the slag and the inorganic acid and the second aging step, the silica wet gel exists in a solid phase and the salt of the other metal component contained in the slag is present in a dissolved state. Thus, the metal salt may be washed and filtered to recover a high purity silica wet gel.

상기 금속염은 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어, 질산칼슘, 질산알루미늄, 질산철, 질산마그네슘, 질산망간, 염화칼슘, 염화알루미늄, 염화철, 염화마그네슘 및 염화망간으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상으로 용액 중에 용해된 상태로 존재할 수 있다.
The metal salt may be at least one selected from the group consisting of calcium nitrate, aluminum nitrate, iron nitrate, manganese nitrate, calcium chloride, aluminum chloride, iron chloride, magnesium chloride and manganese chloride, ≪ / RTI > in solution.

상기 금속염의 종류는 사용되는 무기산 및 슬래그 중에 포함되어 있는 금속 성분의 종류에 따라 달라질 수 있다. 상기 금속염은 이온 결합 물질로 용해된 상태로 존재하며, 다양한 금속염의 혼합물일 수 있다.
The kind of the metal salt may vary depending on the type of the metal component contained in the inorganic acid and the slag used. The metal salt is dissolved in an ion-binding material, and may be a mixture of various metal salts.

상기 여과는 1.5 내지 5 기압으로 가압하여 수행하는 방법, 30 내지 200 mmHg로 감압하여 수행하는 방법 및 1,000내지 10,000 RPM으로 원심분리하여 수행하는 방법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 수행되는 것이 바람직하다. 상기 원심분리하여 여과를 수행하는 경우에는 원심분리탈수장치를 이용할 수 있다.
The filtration is preferably carried out using any one of the following methods: pressurization at a pressure of 1.5 to 5 atm, reduction at 30 to 200 mmHg, and centrifugation at 1,000 to 10,000 RPM. When the filtration is performed by centrifugal separation, a centrifugal dehydration apparatus can be used.

상기 첫 번째 여과 방법의 경우, 여과가 1.5 기압 미만에서 수행되는 경우에는 여과 시간이 길어져서 과도한 공정 시간이 소요되는 문제가 있으며, 5 기압을 초과하는 조건에서 수행되는 경우에는 실리카 습윤겔 내부의 망목 구조가 변형될 수 있는 문제가 있다. 상기 본 발명의 범위 내의 압력으로 가압하여 여과하는 것이 제 1 반응 생성물의 점도, 여과 시간, 에너지 소비 측면에서 고상의 실리카겔을 효율적으로 분리하는 데 바람직하다.
In the case of the first filtration method, when the filtration is performed at a pressure lower than 1.5 atm, filtration time becomes longer and excessive processing time is required. When the filtration is performed at a pressure exceeding 5 atm, There is a problem that the structure may be deformed. It is preferable to pressurize and pressurize to a pressure within the range of the present invention to efficiently separate solid silica gel in terms of viscosity, filtration time and energy consumption of the first reaction product.

한편, 택일적으로 상기 여과는 30 내지 200 mmHg로 감압하여 수행될 수 있으며, 이때 감압이 30 mmHg 미만으로 이루어지는 경우에는 공정 설비 상의 한계가 있어서 과도한 장치 비용 및 에너지 비용이 수반될 수 있는 문제가 있으며, 200 mmHg를 초과하여 수행되는 경우에는 여과 속도가 빠르지 않기 때문에 과도한 공정 시간이 발생하는 문제가 있다.
Alternatively, the filtration may be performed at a reduced pressure of 30 to 200 mmHg. If the reduced pressure is less than 30 mmHg, there is a limitation in the process facility, which may lead to excessive equipment cost and energy cost , And when it is carried out in excess of 200 mmHg, the filtration speed is not high, resulting in an excessive process time.

또한, 다른 택일적인 여과 방법으로써 1,000 내지 10,000 RPM으로 원심분리하여 여과를 수행할 수 있다. 이때 원심분리가 1,000 RPM 미만에서 수행되는 경우에는 여과 속도가 빠르지 않기 때문에 과도한 공정 시간이 발생하는 문제가 있으며, 10,000 RPM을 초과하여 수행되는 경우에는 공정 설비 상의 한계가 있어서 과도한 장치 비용 및 에너지 비용이 수반되는 문제가 있다.
Alternatively, filtration can be performed by centrifugation at 1,000 to 10,000 RPM with another alternative filtration method. If centrifugation is performed at less than 1,000 RPM, there is a problem that excessive filtration time occurs because the filtration speed is not fast. When the centrifugation is performed at more than 10,000 RPM, there is a limit in the process facility, so that excessive equipment cost and energy cost There is an accompanying problem.

상기 금속염의 세척은 세척 후 pH가 5 내지 8이 되도록 물 또는 1N 이하의 알칼리 수용액을 사용하여 수행되는 것이 바람직하다. 세척 후 잔존하는 무기산을 충분히 제거하여야 이후 습윤겔의 실릴화 및 용매 치환 공정에서 반응의 안정성을 획득할 수 있기 때문에 세척 후 pH가 중요하며, 세척 후 pH가 5 미만인 경우에는 이후 습윤겔의 실릴화 및 용매치환 공정에서 잔존하는 무기산 이온들이 반응을 방해하여 소수화 처리가 불안정하거나 고르게 되지 않는 문제가 있고, pH가 8을 초과하는 경우에는 이후 습윤겔의 실릴화 및 용매치환 공정에서 알칼리 이온들이 반응을 방해하여 입자 간의 뭉침 현상이 발생하거나 소수화 처리가 불안정해지는 문제가 있다.
The washing of the metal salt is preferably performed using water or an alkali aqueous solution of 1N or less so that the pH is 5 to 8 after washing. The pH after washing is important because the stability of the reaction can be obtained in the subsequent silylation of the wetting gel and the solvent substitution process, and if the pH after washing is less than 5, the silylation of the wetting gel And the inorganic acid ions remaining in the solvent substitution step interfere with the reaction to cause the hydrophobic treatment to become unstable or uneven. When the pH exceeds 8, there is a problem that the alkaline ions react in the silylation and solvent replacement step of the wet gel. There is a problem that aggregation between the particles occurs or the hydrophobic treatment becomes unstable.

상기에서 여과하여 얻어지는 실리카 습윤겔은 수분 함유량이 70% 이상인 다공성 실리카 습윤겔 형태로 획득될 수 있으며, 실리카 함량이 95 중량% 이상인 고순도를 나타낸다. 보다 구체적으로 상기 다공성 실리카겔은 습윤겔, 즉 다공성 기공에 70% 이상의 물이 포함되어 있는 겔의 형태로 획득된다.
The silica wet gel obtained by filtration above can be obtained in the form of a porous silica wet gel having a water content of 70% or more and exhibits a high purity with a silica content of 95% by weight or more. More specifically, the porous silica gel is obtained in the form of a wet gel, that is, a gel containing 70% or more of water in the porous pores.

상기 세척 및 여과는 각각 1 내지 8회 반복하여 수행되는 것이 바람직하며, 도 2에 나타난 바와 같이 세척 및 여과 횟수가 증가할수록 실리카의 순도가 높아지지만 8회 정도 이상 수행하면 거의 100%에 가까운 순도를 획득할 수 있기 때문에 그 이상의 세척 및 여과를 수행하는 것은 경제적인 측면에서 불필요하다.
As shown in FIG. 2, as the number of washing and filtration increases, the purity of the silica increases. However, when the washing and filtering are performed about 8 times or more, the purity is nearly 100% It is economically unnecessary to carry out further washing and filtration.

특히, 상기 실리카 습윤겔은 골격을 이루는 실리카 입자와 다량의 물로 구성되어 있는데, 여기에서 골격을 이루는 실리카 입자의 수축 없이 물을 효과적으로 제거하는 것이 에어로겔을 회수할 수 있도록 하는 매우 중요한 제어 조건이 된다.
Particularly, the silica wet gel is composed of silica particles forming a skeleton and a large amount of water. Here, effectively removing water without shrinking the silica particles forming the skeleton is a very important control condition for recovering the airgel.

이와 관련하여, 본 발명에서는 상기 실리카겔의 소수성화, 즉 실릴화와 용매 치환 공정이 동시에 수행된다.
In this connection, in the present invention, the hydrophilization of the silica gel, that is, the silylation and the solvent substitution process is performed simultaneously.

즉, 습윤겔 상태의 다공성 실리카 겔은 프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올 및 n-옥탄올로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 소수성 알코올 용매 및 실릴화제를 포함하는 혼합 용액에 첨가하고 환류시킴으로써 실리카겔의 표면이 실릴화에 의해 소수성으로 개질되고 실리카겔 중의 물이 용매 치환되어 제거될 수 있다. 이와 같은 실릴화 및 용매 치환 공정을 동시에 수행하는 단계 및 건조 단계를 통하여 에어로겔을 회수할 수 있다.
That is, the porous silica gel in a wet gel state is a mixed solution containing at least one hydrophobic alcohol solvent selected from the group consisting of propanol, n-butanol, n-pentanol, n-hexanol and n- And refluxing, the surface of the silica gel is hydrophobically modified by silylation and water in the silica gel can be removed by solvent substitution. The airgel can be recovered through the step of performing the silylation and the solvent replacement step simultaneously and the drying step.

소수성화 및 용매 치환 공정은 상압에서 실릴화 용액의 끓는점 부근에서 약 2 시간 내지 24 시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 환류 시간이 2시간 미만이면 실릴화제의 종류에 따라 충분히 실릴화되지 않는 경우가 발생할 수 있으며, 24 시간을 초과는 경우 원하지 않는 부반응이 일어날 수 있다.
The hydrophobicization and solvent replacement process is preferably carried out at about the boiling point of the silylation solution at normal pressure for about 2 hours to 24 hours, and when the refluxing time is less than 2 hours, the silylation is not sufficiently effected depending on the type of silylation agent And an undesired side reaction may occur if it exceeds 24 hours.

또한, 소수성화 및 용매 치환 공정은 감압 공정으로도 수행할 수 있다. 감압 공정에 의한 소수성화 및 용매 치환 공정은 상기 혼합 용액 및 실리카겔을 포함하는 반응기 내의 압력을 30 내지 200 mmHg로 조절하고, 45 내지 100℃의 온도에서 환류시킴으로써, 실릴화 및 용매 치환을 동시에 수행할 수 있다.
In addition, the hydrophobing and solvent replacement step can also be performed by a reduced pressure process. The hydrophilization process and the solvent substitution process by the depressurization process are carried out by adjusting the pressure in the reactor containing the mixed solution and the silica gel to 30 to 200 mmHg and refluxing at 45 to 100 DEG C to carry out silylation and solvent substitution .

상기 감압 공정은 상압 공정에 비하여 반응 시간을 단축할 수 있으며, 보다 구체적으로는 60분 이내에 반응을 완료할 수 있다. 반응기 내의 압력이 200mmHg를 초과하는 경우에는 반응 시간이 길어지며, 압력이 낮을수록 반응 속도는 빨라지지만 반응기에 연결되어 있는 연결 라인이나 진공 펌프 자체의 압력 손실에 의해 현실적으로 30mmHg 미만의 압력의 적용은 매우 어렵다.
The depressurization process can shorten the reaction time as compared with the atmospheric pressure process, and more specifically, complete the reaction within 60 minutes. When the pressure in the reactor exceeds 200 mmHg, the reaction time becomes longer. The lower the pressure, the faster the reaction speed. However, the application of pressure less than 30 mmHg is practically caused by the pressure loss of the connection line connected to the reactor or the vacuum pump itself it's difficult.

한편, 반응기 내의 온도는 45 내지 100℃로 유지하는 것이 바람직하며, 이는 용매의 빠른 증발열에 의해 내부의 온도가 내려가기 때문에 빠른 반응에 의한 반응 시간 단축을 위해서는 외부에서 열을 공급해 주는 것이 바람직하기 때문이다.
On the other hand, it is preferable that the temperature in the reactor is maintained at 45 to 100 ° C because the internal temperature is lowered by the rapid evaporation heat of the solvent, so that it is preferable to supply heat from outside in order to shorten the reaction time to be.

상기 실릴화와 용매 치환의 동시 공정은, 예를 들어, 상기 실리카겔과 소수성 알코올 용매 및 실릴화제의 혼합 용액을 반응기에 넣고, 반응기 내의 압력을 200 내지 30mmHg로 조절하고, 반응기 내의 온도를 45 내지 100℃로 유지시키면서 용매와 수분을 분리시킨 후, 수분을 제거하고 용매는 다시 환류시켜 실리카겔 중의 수분이 모두 제거될 때까지 이러한 공정을 반복하여 실리카겔 중의 수분을 제거함과 동시에 습윤겔을 수소화시킬 수 있다. 상기 실릴화와 용매 치환의 동시 공정에서 배출된 용매는 냉각관이나 원심분리기로 분리하여 다시 재사용할 수 있다.
The simultaneous step of silylation and solvent replacement can be carried out, for example, by introducing a mixed solution of the silica gel, a hydrophobic alcohol solvent and a silylating agent into a reactor, controlling the pressure in the reactor to 200 to 30 mmHg, Deg.] C, and then the water is removed and the solvent is refluxed again. This process is repeated until moisture in the silica gel is completely removed to remove moisture in the silica gel and hydrogenate the wet gel. The solvent discharged in the simultaneous silylation and solvent substitution process can be reused by separating into a cooling tube or a centrifuge.

상기 실릴화 및 용매 치환 공정에서 사용되는 소수성 알코올 용매 및 실릴화제를 포함하는 혼합 용액은 실릴화제 1-10 중량%와 소수성 알코올 용매 90-99 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 실릴화제의 함량이 1 중량% 미만인 경우에는 표면 개질이 일어나지 않은 에어로겔이 잔존할 수 있으므로 바람직하지 않으며, 실릴화제의 함량이 10 중량%를 초과하는 경우에는 반응에 참여하지 않은 실릴화제가 생기기 때문에 경제적인 측면에서 바람직하지 않다.
The mixed solution containing the hydrophilic alcohol solvent and the silylating agent used in the silylation and solvent substitution process preferably contains 1-10% by weight of a silylating agent and 90-99% by weight of a hydrophobic alcohol solvent. If the content of the silylating agent is less than 1% by weight, an airgel without surface modification may remain, and if the content of the silylating agent exceeds 10% by weight, a silylating agent not participating in the reaction is produced, .

상기 본 발명과 같은 실릴화 처리에 의해, 낮은 농도의 실릴화제를 사용하면서도 기존의 에어로겔 분말 이상의 열전도도 값의 구현이 가능하고, 실릴화 반응 조건을 강산성으로 개선하여 실릴화제와 반응하지 않은 분말이 없도록 함으로써 하기 화학식 1에서와 같이 실리카겔의 표면을 영구적으로 실릴화할 수 있다.By the silylation treatment as in the present invention, it is possible to realize a thermal conductivity value higher than that of a conventional airgel powder while using a low concentration of a silylating agent, and the silylation reaction condition is improved to strongly acidic, The surface of the silica gel can be permanently silylated as shown in Formula 1 below.

[화학식 1]
[Chemical Formula 1]

Figure pat00001

Figure pat00001

상기 실릴화제의 구체적인 예로는, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 헥사메틸디실란, 트리메톡시실란, 트리메톡시메틸실란, 에틸트리에톡시실란, 트리에틸에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 메톡시트리메틸실란, 트리메틸클로로실란, 헥사메틸디실록산(HMDSO) 및 트리에틸클로로실란으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 들 수 있으며, 이들은 단독으로 혹은 이종 이상의 혼합물로 사용될 수 있다.
Specific examples of the silylating agent include, but are not limited to, hexamethyldisilane, trimethoxysilane, trimethoxymethylsilane, ethyltriethoxysilane, triethylethoxysilane, methyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, There may be mentioned at least one selected from the group consisting of methoxysilane, methoxytrimethylsilane, trimethylchlorosilane, hexamethyldisiloxane (HMDSO) and triethylchlorosilane, which may be used singly or as a mixture of two or more kinds thereof have.

본 발명과 같이 실릴화와 용매 치환을 동시에 수행함으로써 연속 공정이 가능하며, 사용된 소수성 알코올 용매는 증류 공정으로 보내어져 실리카 습윤겔의 용매치환에 재사용될 수 있다.
As in the present invention, a continuous process is possible by simultaneously performing silylation and solvent substitution, and the hydrophobic alcohol solvent used can be sent to a distillation process and reused for solvent replacement of the silica wet gel.

일반적으로 에어로겔 제조 시 습윤겔의 용매 치환에 사용가능한 용매는 1) 습윤겔 기공 내의 물을 효과적으로 제거하고, 2) 상압 건조 시 가능한 낮은 모세관 압력을 겔 구조에 주면서 증발이 가능한 용매 조건을 모두 만족하여야 한다.
Generally, the solvents which can be used for the solvent substitution of the wet gel in the production of aerogels are 1) to effectively remove the water in the wet gel pores, 2) to satisfy all of the solvent conditions capable of evaporating while giving a capillary pressure as low as possible in the gel structure do.

이러한 두 가지 상충 조건을 만족시키기 위해서는 메탄올, 에탄올, THF, 아세톤과 같이 극성이 크지 않으면서도, 헵탄, 펜탄 등과 같이 비극성이지도 않아야 한다.
In order to satisfy these two conflicting conditions, the polarity such as methanol, ethanol, THF, and acetone should not be high, and it should not be non-polar such as heptane, pentane and the like.

전자와 같이 극성인 경우에는 건조 시 생성되는 기체-액체 계면에서 매우 큰 모세관 압력이 겔 구조에 부여될 수 있고, 후자와 같이 비극성인 경우에는 물과의 상용성이 좋지 않아 습윤 겔 기공 내의 물을 효과적으로 제거하기가 어려운 문제가 있기 때문이다. 따라서 본 발명에서는 이러한 조건을 만족하는 용매로서 프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올, n-옥탄올 등을 사용한다.
In the case of polarity as in the case of electrons, a very large capillary pressure can be imparted to the gel structure at the gas-liquid interface generated at the time of drying. In the latter case, the non-polarity is not compatible with water, This is because it is difficult to remove effectively. Therefore, in the present invention, propanol, n-butanol, n-pentanol, n-hexanol, n-octanol and the like are used as solvents satisfying these conditions.

상기 소수성화 및 용매 치환에 의해 얻어진 소수성화된 실리카겔을 건조하여 입상형 에어로겔을 획득할 수 있다. 상기 건조는 상압 혹은 감압 하에서 수행할 수 있다.
The hydrophobized silica gel obtained by hydrophobicization and solvent substitution can be dried to obtain a granular airgel. The drying can be carried out under normal pressure or reduced pressure.

상압에서 건조하는 경우, 건조는 약 100-250℃, 바람직하게는 120-150℃에서 수행되며, 온도가 100℃ 미만인 경우에는 건조 속도가 너무 느려지고, 건조가 250℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 소수화 처리된 실릴화 그룹이 열분해로 인하여 손실될 수 있으므로 바람직하지 않다.
When drying is carried out at normal pressure, drying is carried out at about 100 to 250 DEG C, preferably 120 to 150 DEG C, and if the temperature is less than 100 DEG C, the drying rate is too slow and the drying is carried out at a temperature exceeding 250 DEG C , The hydrophilized silylated group may be lost due to pyrolysis.

상기 건조에 적합한 시간은 생성된 에어로겔의 구조, 입자 크기, 사용한 용매의 종류 및 겔 구조 내의 잔류 함량 등에 의해 영향을 받는다. 그러므로 최적의 건조 시간은 열중량분석기(TGA)를 이용하여 건조된 입자의 잔류 용매가 검출되지 않는 시간을 측정하여 결정할 수 있다.
The time suitable for the drying is affected by the structure of the produced aerogels, the particle size, the type of solvent used, the residual content in the gel structure, and the like. Therefore, the optimal drying time can be determined by measuring the time during which the residual solvent of the dried particles is not detected using a thermogravimetric analyzer (TGA).

한편, 감압 하에 건조하는 경우에는 상기 소수성화 및 용매 치환 공정에서 수분이 모두 제거되면 환류 라인을 폐쇄하고 반응기 내의 조건을 상기 용매 치환과 소수성화 공정과 동일하게 압력 30-200 mmHg 그리고 온도 45-100℃로 유지함으로써 20분 이내에 건조가 완료되어 입상 에어로겔을 얻을 수 있다.
On the other hand, in the case of drying under reduced pressure, when the water is completely removed in the hydrophobing and solvent replacement step, the reflux line is closed and the conditions in the reactor are changed to 30-200 mmHg at a pressure of 30-200 mmHg, Deg.] C, drying can be completed within 20 minutes, and a granular aerogel can be obtained.

감압 건조 시, 공정상 선택적으로는 고상 물질과 용매의 중량 비율이 1:3 내지 1:5 이 되도록 감압증류장치 내에서 용매를 어느 정도 증발시킨 후 탈수장치로 보내어 최대한 용매를 탈수하고 여과한 후에 선반형(상압 또는 감압) 오븐 건조기에서 건조시킬 수 있다.
During drying under reduced pressure, the solvent is selectively evaporated in the vacuum distillation apparatus to a weight ratio of 1: 3 to 1: 5, and then sent to a dewatering device to dewater the solvent as much as possible, It can be dried in a lathe (atmospheric or reduced pressure) oven drier.

용매의 함량이 상기 범위 미만인 경우 너무 분말화되므로 바람직하지 않고, 용매의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 불필요한 에너지를 소모하게 되므로 바람직하지 않다. 이러한 방법은 환류 라인을 폐쇄하여 건조시키는 공정에 비해 단계가 2단계로 늘어나는 단점이 있지만 실리카 내의 미세한 수많은 기공 내의 용매를 완전히 증발시키는데 소요되는 에너지를 물리적인 탈수공정장치를 통해 줄일 수 있다.
When the content of the solvent is less than the above range, it is undesirable because it becomes too powdery, and when the content of the solvent exceeds the above range, unnecessary energy is consumed. This method has the disadvantage of increasing the step to two steps as compared with the process of closing and drying the reflux line, but the energy required to completely evaporate the solvent in the fine pores in the silica can be reduced through the physical dehydration process device.

본 발명에서와 같이 실릴화와 함께 용매치환 공정을 거친 후 건조 공정을 행함으로써 소수성으로 표면이 개질된 에어로겔의 구조가 영구적으로 유지되며, 건조 속도도 빨라지게 된다.
As in the present invention, the structure of the hydrophobic surface-modified aerogel is permanently maintained and the drying speed is also increased by performing the solvent substitution process together with the silylation followed by the drying process.

상기 본 발명의 방법에 의하여 제조되는 영구적으로 소수성화된 에어로겔은 입자의 평균 직경이 2 내지 200 ㎛인 입상형 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 입자의 평균 직경이 4 내지 60㎛인 것이다.
Preferably, the permanently hydrophobized aerogels produced by the method of the present invention have a mean particle diameter of 2 to 200 μm, more preferably a mean particle diameter of 4 to 60 μm.

한편, 상기 본 발명의 방법에 의하여 제조되는 영구적으로 소수성화된 에어로겔은 400㎡/g 내지 1300㎡/g의 비표면적을 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 비표면적이 500㎡/g 내지 800㎡/g 인 것이다.
On the other hand, the permanently hydrophobized aerogels produced by the method of the present invention preferably have a specific surface area of 400 m 2 / g to 1300 m 2 / g, more preferably 500 m 2 / g to 800 m 2 / g.

나아가, 상기 본 발명의 방법에 의하여 제조되는 영구적으로 소수성화된 에어로겔은 7 내지 200 nm의 평균 기공 직경을 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 평균 기공 직경이 10 내지 50 nm인 것이다.
Further, the permanently hydrophobized aerogels produced by the method of the present invention preferably have an average pore diameter of 7 to 200 nm, more preferably 10 to 50 nm.

또한, 상기 본 발명의 방법에 의하여 제조되는 영구적으로 소수성화된 에어로겔은 80% 이상의 평균 기공율을 나타내는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 90% 이상의 평균 기공율을 나타내는 것이다. 본 발명에 있어서 기공율이란 에어로겔 전체 표면에서 기공 부분이 차치하는 면적의 퍼센트를 나타내는 것으로, 에어로겔의 평균 기공율이 80% 미만인 경우에는 열전도율이 높아지므로 단열 소재로 사용하기에 문제가 있다.
In addition, the permanently hydrophobized airgel produced by the method of the present invention preferably has an average porosity of 80% or more, more preferably 90% or more. In the present invention, the porosity indicates the percentage of the area occupied by the pore portion on the surface of the entire airgel. When the average porosity of the airgel is less than 80%, the thermal conductivity becomes high.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of specific examples. The following examples are provided to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example

<< 실시예Example >>

1. One. 슬래그로부터From slag 회수한 실리카겔을 이용한 소수성  Hydrophobicity using recovered silica gel 에어로겔의Aerogel 제조 Produce

실시예Example 1 One

교반형 반응기에 수재슬래그(약 50 내지 100메쉬) 500g을 투입하였다. 그리고 상단에 구비된 노즐을 통해 물 500g을 투입하여 5시간 동안 숙성하였다. 이후 반응기를 교반하면서 내부의 노즐을 통해 6N 질산 1,500g을 투입하였고, 질산 투입이 끝나고 교반을 멈추면서 24시간 동안 30~80 ℃의 온도에서 숙성하여 망목 구조를 갖는 실리카 습윤겔을 형성하여 반응생성물을 회수하였다.
500 g of wastewater slag (about 50 to 100 mesh) was charged into the stirring type reactor. Then, 500 g of water was injected through a nozzle provided at the upper end and aged for 5 hours. Then, 1,500 g of 6N nitric acid was added through the inner nozzle while agitating the reactor. After the addition of nitric acid was terminated, agitation was stopped at a temperature of 30 to 80 ° C for 24 hours to form a silica wet gel having a network structure, Respectively.

상기 반응생성물은 고상의 실리카 습윤겔 및 기타 금속염을 포함하고 있었으며, 상기 금속염은 질산칼슘, 질산알루미늄, 질산철, 질산마그네슘, 질산망간 등의 금속질산염으로 이들이 용액 중에 용해된(용출된) 상태로 존재하였다. 이러한 상기 반응생성물을 2기압으로 가압하여 여과하고, 0.5N의 암모니아 수용액으로 5회 세척하여 pH 6 내지 6.5 범위를 갖는 고상의 다공성 실리카 습윤겔를 회수하였으며, 이때 상기 다공성 실리카 습윤겔(SiO2)은 함수량이 75중량% 이었다.
The reaction product contained solid silica wet gel and other metal salts, and the metal salts were metal nitrate salts such as calcium nitrate, aluminum nitrate, iron nitrate, magnesium nitrate, and manganese nitrate, and they were dissolved (eluted) in solution . The reaction product was pressurized at 2 atmospheres, filtered, and washed five times with 0.5 N aqueous ammonia solution to recover a solid porous silica wet gel having a pH in the range of 6 to 6.5, wherein the porous silica wet gel (SiO 2 ) The water content was 75% by weight.

한편, 상기 실리카 습윤겔을 여과한 후 증류형 환류 반응기에 넣고, 용매로서 프로판올 1,000ml 및 n-부탄올 2000ml에 트리메톡시메틸실란(TMMS) 200ml를 가하였다. 반응기 내의 압력을 100mmHg로 유지시키면서 반응기 내부의 온도가 80℃가 되도록 하여 용매를 증류시키면 용매와 수분이 동시에 증류하면서 유수분리가 생기게 된다. 이때 물은 하단 부분으로 용매는 상단 부분으로 분리되며 이러한 상단의 용매 층만을 환류(reflux)하면서 수분을 분리하였고, 수분이 모두 제거된 후 환류 라인을 폐쇄시키고 계속 감압 증류하여 용매를 증발시켰다.
On the other hand, the silica wet gel was filtered and charged into a distillation type reflux reactor, and 200 ml of trimethoxymethylsilane (TMMS) was added to 1,000 ml of propanol and 2000 ml of n-butanol as a solvent. When the pressure in the reactor is maintained at 100 mmHg and the temperature inside the reactor is 80 ° C, distillation of the solvent causes distillation of the solvent and water simultaneously, resulting in oil-water separation. At this time, the water was separated into the lower part and the solvent was separated into the upper part. Only the solvent layer on the upper side was refluxed and the water was separated. After the water was completely removed, the reflux line was closed and the solvent was evaporated by continued vacuum distillation.

그 결과, 용매가 모두 증발되어 건조된 에어로겔 분말 약 150g을 획득하였으며, 사용된 용매는 94%가 회수되었다. 이렇게 제조된 에어로겔 분말은 표면이 영구적인 소수성을 가지며, 19 mW/mk 수준의 열전도율, 91% 기공율, 순도가 94 중량%인 고순도의 실리카 에어로겔로서 획득되었고, 비표면적이 약 530㎡/g, 입자의 평균 직경이 약 20㎛ 내지 50㎛ 그리고 평균 기공 직경이 약 216 Å의 우수한 물성을 나타내었다.
As a result, about 150 g of dried aerogel powder was obtained by evaporating all of the solvent, and 94% of the used solvent was recovered. The thus prepared airgel powder was obtained as a high purity silica airgel whose surface was permanently hydrophobic, had a thermal conductivity of 19 mW / mk, a porosity of 91% and a purity of 94% by weight, and had a specific surface area of about 530 m 2 / Had an average diameter of about 20 탆 to 50 탆 and an average pore diameter of about 216 Å.

실시예Example 2 2

교반형 반응기에 수재슬래그(약 50 내지 100메쉬) 1,000g을 투입하였다. 그리고 상단에 구비된 노즐을 통해 물 2,500g을 투입하여 5시간 동안 숙성하였다. 이후 반응기를 교반하면서 내부의 노즐을 통해 12N 염산 2,000g을 투입하였고, 염산 투입이 끝나고 교반을 멈추면서 12시간 동안 30~80 ℃의 온도에서 숙성하여 망목 구조를 갖는 실리카 습윤겔을 형성하여 반응 생성물을 회수하였다.
1,000 g of wastewater slag (about 50 to 100 mesh) was added to the stirring type reactor. Then, 2,500 g of water was injected through the nozzle provided at the top and aged for 5 hours. Then, 2,000 g of 12N hydrochloric acid was added through the inner nozzle while agitating the reactor. After the addition of hydrochloric acid was completed, agitation was stopped at a temperature of 30 to 80 ° C for 12 hours to form a silica wet gel having a network structure, Respectively.

상기 반응생성물은 고상의 실리카 습윤겔 및 기타 금속염을 포함하고 있었으며, 상기 금속염은 염화칼슘, 염화알루미늄, 염화철, 염화마그네슘, 염화망간 등의 금속염산염으로 이들이 용액 중에 용해된(용출된) 상태로 존재하였다. 이러한 상기 반응 생성물을 50 mmHg 기압으로 감압하여 여과하고, 0.1N의 수산화칼륨 수용액으로 6회 세척하여 pH 6 내지 6.5 범위를 갖는 고상의 다공성 실리카 습윤겔를 회수하였으며, 이때 상기 다공성 실리카 습윤겔(SiO2)은 함수량이 79중량% 이었다.
The reaction product contained solid silica wet gel and other metal salts, and the metal salt was a metal hydrochloride such as calcium chloride, aluminum chloride, iron chloride, magnesium chloride, and manganese chloride, and they existed as dissolved (eluted) in solution . The reaction product was filtered under reduced pressure of 50 mmHg atmospheric pressure, and washed with 0.1 N aqueous potassium hydroxide solution six times to recover a solid porous silica wet gel having a pH ranging from 6 to 6.5. The porous silica wet gel (SiO 2 ) Had a water content of 79% by weight.

한편, 상기 실리카 습윤겔을 여과한 후 증류형 환류 반응기에 넣고, 용매로서 프로판올 1,000ml 및 n-부탄올 2000ml에 트리메톡시메틸실란(TMMS) 200ml를 가하였다. 반응기 내의 압력을 100 mmHg로 유지시키면서 반응기 내부의 온도가 80℃가 되도록 하여 용매를 증류시키면 용매와 수분이 동시에 증류하면서 유수분리가 생기게 된다. 이때 물은 하단 부분으로 용매는 상단 부분으로 분리되며 이러한 상단의 용매 층만을 환류(reflux)하면서 수분을 분리하였고, 수분이 모두 제거된 후 환류 라인을 폐쇄시키고 계속 감압 증류하여 용매를 증발시켰다.
On the other hand, the silica wet gel was filtered and charged into a distillation type reflux reactor, and 200 ml of trimethoxymethylsilane (TMMS) was added to 1,000 ml of propanol and 2000 ml of n-butanol as a solvent. When the pressure in the reactor is maintained at 100 mmHg and the temperature inside the reactor is 80 ° C, distillation of the solvent causes simultaneous distillation of the solvent and water, resulting in oil-water separation. At this time, the water was separated into the lower part and the solvent was separated into the upper part. Only the solvent layer on the upper side was refluxed and the water was separated. After the water was completely removed, the reflux line was closed and the solvent was evaporated by continued vacuum distillation.

그 결과, 용매가 모두 증발되어 건조된 에어로겔 분말 약 300g을 획득하였으며, 사용된 용매는 95%가 회수되었다. 이렇게 제조된 에어로겔 분말은 표면이 영구적인 소수성을 가지며, 18 mW/mk 수준의 열전도율, 91% 기공율, 순도가 95중량%인 고순도의 실리카 에어로겔로서 획득되었고, 비표면적이 약 550㎡/g, 입자의 평균 직경은 도 3에 도시한 바와 같이 약 10㎛, 그리고 평균 기공 직경은 도 4에 도시한 바와 같이 약 234 Å의 우수한 물성을 나타내었다.
As a result, all of the solvent was evaporated to obtain about 300 g of dried airgel powder, and 95% of the used solvent was recovered. The thus prepared airgel powder was obtained as a high purity silica airgel whose surface had permanent hydrophobicity, thermal conductivity of 18 mW / mk, 91% porosity and purity of 95% by weight, and had a specific surface area of about 550 m 2 / As shown in Fig. 3, and an average pore diameter of about 234 Å, as shown in Fig.

실시예Example 3 3

교반형 반응기에 수재슬래그(100메쉬 이하) 1,000g을 투입하였다. 그리고 상단에 구비된 노즐을 통해 물 1,500g을 투입하여 3 시간 동안 숙성하였다. 이후 반응기를 교반하면서 내부의 노즐을 통해 5N 염산 1,000g, 5N 질산 1,000g 의 혼합 무기산을 투입하였고, 무기산 투입이 끝나고 교반을 멈추면서 24시간 동안 30~80 ℃의 온도에서 숙성하여 망목 구조를 갖는 실리카 습윤겔을 형성하여 반응 생성물을 회수하였다.
1,000 g of wastewater slag (100 mesh or less) was added to the stirring type reactor. Then, 1,500 g of water was injected through a nozzle provided at the top and aged for 3 hours. Thereafter, 1,000 g of 5N hydrochloric acid and 1,000 g of 5N nitric acid were added to the reactor through the inner nozzle, and the mixture was aged at a temperature of 30 to 80 ° C for 24 hours while the addition of the inorganic acid was stopped. A silica wet gel was formed to recover the reaction product.

상기 반응 생성물은 고상의 실리카 습윤겔 및 기타 금속염을 포함하고 있었으며, 상기 금속염은 염화칼슘, 염화알루미늄, 염화철, 염화마그네슘, 염화망간, 질산칼슘, 질산알루미늄, 질산철, 질산마그네슘, 질산망간 등의 금속염산염으로 이들이 용액 중에 용해된(용출된) 상태로 존재하였다. 이러한 상기 반응 생성물을 5,000rpm으로 원심분리 장치를 사용하여 여과하고, 0.1N의 수산화칼륨 수용액으로 6회 세척하여 pH 6.5 내지 7.5 범위를 갖는 고상의 다공성 실리카 습윤겔를 회수하였으며, 이때 상기 다공성 실리카 습윤겔(SiO2)은 함수량이 82중량% 이었다.
The reaction product includes solid silica wet gel and other metal salts and the metal salt may be a metal such as calcium chloride, aluminum chloride, iron chloride, magnesium chloride, manganese chloride, calcium nitrate, aluminum nitrate, iron nitrate, magnesium nitrate, They were present in the solution (eluted) in solution. The reaction product was filtered using a centrifugal separator at 5,000 rpm and washed six times with 0.1 N aqueous potassium hydroxide solution to recover a solid porous silica wet gel having a pH in the range of 6.5 to 7.5, (SiO 2 ) had a water content of 82% by weight.

한편, 상기 실리카 습윤겔을 여과한 후 증류형 환류 반응기에 넣고, 용매로서 n-헥산올 3000ml에 헥사메틸디실록산(HMDSO) 400ml를 가하였다. 반응기 내의 압력을 50 mmHg로 유지시키면서 반응기 내부의 온도가 75℃가 되도록 하여 용매를 증류시키면 용매와 수분이 동시에 증류하면서 유수분리가 생기게 된다. 이때 물은 하단 부분으로 용매는 상단부분으로 분리되며 이러한 상단의 용매 층만을 환류(reflux)하면서 수분을 분리하였고, 수분이 모두 제거된 후 환류 라인을 폐쇄시키고 계속 감압 증류하여 용매를 증발시켰다.
On the other hand, the silica wet gel was filtered and charged into a distillation type reflux reactor, and 400 ml of hexamethyldisiloxane (HMDSO) was added to 3000 ml of n-hexanol as a solvent. When the pressure in the reactor is maintained at 50 mmHg and the temperature of the reactor is maintained at 75 ° C, distillation of the solvent causes distillation of the solvent and water at the same time, resulting in oil-water separation. At this time, the water was separated into the lower part and the solvent was separated into the upper part. Only the solvent layer on the upper side was refluxed and the water was separated. After the water was completely removed, the reflux line was closed and the solvent was evaporated by continued vacuum distillation.

그 결과, 용매가 모두 증발되어 건조된 에어로겔 분말 약 310g을 획득하였으며, 사용된 용매는 95%가 회수되었다. 이렇게 제조된 에어로겔 분말은 표면이 영구적인 소수성을 가지며, 17mW/mk 수준의 열전도율, 92% 기공율, 순도가 96중량%인 고순도의 실리카 에어로겔로서 획득되었고, 비표면적이 약 610㎡/g, 입자의 평균 직경은 약 25㎛ 그리고 평균 기공 직경은 약 342 Å의 우수한 물성을 나타내었다.
As a result, all of the solvent was evaporated to obtain about 310 g of dried airgel powder, and 95% of the used solvent was recovered. The airgel powder thus obtained was obtained as a high purity silica airgel having a permanent hydrophobic surface, a thermal conductivity of 17 mW / mk, a 92% porosity and a purity of 96 wt%, and had a specific surface area of about 610 m 2 / The average diameter was about 25 μm and the average pore diameter was about 342 Å.

비교예Comparative Example 1 One

교반형 반응기에 수재슬래그(약 50 내지 100메쉬) 500g을 투입하였다. 이후 물을 투입하지않고 반응기를 교반하면서 내부의 노즐을 통해 12N 질산 1,000g을 투입하였고, 질산 투입이 끝나고 교반을 멈추면서 24시간 동안 30~80 ℃의 온도에서 숙성하여 실리카 습윤겔을 형성하여 반응 생성물을 회수하였다.
500 g of wastewater slag (about 50 to 100 mesh) was charged into the stirring type reactor. Thereafter, 1,000 g of 12N nitric acid was injected through the inner nozzle while stirring the reactor without adding water. After the addition of nitric acid was completed, agitation was stopped at the temperature of 30 to 80 ° C for 24 hours while stirring was stopped, The product was recovered.

상기 반응 생성물은 실리카 습윤겔, 실리카 침전물 및 기타 금속염을 포함하고 있었으며, 상기 금속염은 질산칼슘, 질산알루미늄, 질산철, 질산마그네슘, 질산망간 등의 금속질산염으로 이들이 용액 중에 용해된(용출된) 상태로 존재하였다. 이러한 상기 반응 생성물을 2 기압으로 가압하여 여과하고 0.5N의 암모니아 수용액으로 6회 세척하여 pH 6~6.5 범위를 갖는 고상의 실리카 습윤겔를 회수하였으며, 이때 상기 실리카 습윤겔(SiO2)은 함수량이 45중량% 이었다.
The reaction product contained silica wet gel, silica precipitate and other metal salts, and the metal salt was a metal nitrate such as calcium nitrate, aluminum nitrate, iron nitrate, magnesium nitrate, manganese nitrate, etc., and was dissolved (eluted) Respectively. The reaction product was filtered at 2 atmospheres, filtered and washed 6 times with 0.5 N ammonia solution to recover a solid silica wet gel having a pH in the range of 6 to 6.5, wherein the silica wet gel (SiO 2 ) had a water content of 45 Weight%.

한편, 상기 실리카 습윤겔을 여과한 후 증류형 환류 반응기에 넣고, 용매로서 프로판올 1,000ml 및 N-부탄올 2000ml에 트리메톡시메틸실란(TMMS) 200ml를 가하였다. 반응기 내의 압력을 100 mmHg로 유지시키면서 반응기 내부의 온도를 80℃가 되도록 하여 용매를 증류시키면 용매와 수분이 동시에 증류하면서 유수분리가 생기게 된다. 이때 물은 하단 부분으로 용매는 상단 부분으로 분리되며 이러한 상단의 용매 층만 환류(reflux)하면서 수분을 분리하였고, 수분이 모두 제거된 후 환류 라인을 폐쇄시키고 계속 감압증류하여 용매를 증발시켰다.
On the other hand, the silica wet gel was filtered and charged into a distillation type reflux reactor. To 1,000 ml of propanol and 2000 ml of N-butanol were added 200 ml of trimethoxymethylsilane (TMMS) as a solvent. When the pressure in the reactor is maintained at 100 mmHg and the temperature of the reactor is maintained at 80 ° C, distillation of the solvent causes simultaneous distillation of the solvent and water, resulting in oil-water separation. At this time, the water was separated into the lower part and the solvent was separated into the upper part. Only the solvent layer at the upper part was refluxed and the water was separated. After the water was completely removed, the reflux line was closed and the solvent was evaporated by continued vacuum distillation.

그 결과, 용매가 모두 증발되어 건조된 실리카 분말 약 150g을 얻었으며, 사용된 용매는 94%가 회수되었다. 이렇게 제조된 실리카 분말은 건조 상태에서의 순도가 93중량% 고순도의 실리카겔로서 획득되었으나, 61 mW/mk 수준의 열전도율, 56% 기공율을 나타내었으며, 비표면적이 약 810㎡/g, 입자의 평균 직경이 약 15㎛ 내지 550㎛ 그리고 평균 기공 직경이 약 32 Å의 물성을 나타내었다.
As a result, all of the solvent was evaporated to obtain about 150 g of dried silica powder, and 94% of the used solvent was recovered. The silica powder thus obtained was obtained as silica gel having a purity of 93% by weight in a dry state, but exhibited a thermal conductivity of 61 mW / mK and a porosity of 56%. The specific surface area was about 810 m 2 / g, About 15 탆 to about 550 탆 and an average pore diameter of about 32 Å.

상기에서 나타난 바와 같이 순도, 평균 입도 및 비표면적 등은 양호하였으나, 비교예 1에서 획득된 생성물은 실시예1 보다 열전도율이 높고, 기공율이 매우 낮은 상태의 구조로 나타났으며, 이는 에어로겔의 물성과 거리가 있다.
As shown above, the purity, the average particle size and the specific surface area were good, but the product obtained in Comparative Example 1 had a higher thermal conductivity and a lower porosity than that of Example 1, There is distance.

비교예Comparative Example 2 2

교반형 반응기에 수재슬래그(약 50 내지 100메쉬) 1,000g을 투입하였다. 그리고 상단에 구비된 노즐을 통해 물 2,500g을 투입하여 5시간 동안 숙성하였다. 이후 반응기를 교반하면서 내부의 노즐을 통해 2.5N 염산 2,000g을 투입하였고, 염산 투입이 끝나고 교반을 멈추면서 12 시간 동안 30~80 ℃의 온도에서 숙성하여 망목 구조를 갖는 실리카 습윤겔을 형성하여 반응 생성물을 회수하였다. 이때 망목 구조의 실리카 습윤겔의 회수량은 실시예 2와 비교하여 약 50% 수준 정도로 반응이 불안정하였다.
1,000 g of wastewater slag (about 50 to 100 mesh) was added to the stirring type reactor. Then, 2,500 g of water was injected through the nozzle provided at the top and aged for 5 hours. Then, 2,000 g of 2.5 N hydrochloric acid was added through the inner nozzle while agitating the reactor. After the addition of hydrochloric acid was completed, agitation was performed at 30 to 80 ° C for 12 hours to form a silica wet gel having a network structure, The product was recovered. In this case, the recovery of the silica wet gel of the network structure was unstable at about 50% level as compared with Example 2.

상기 반응 생성물은 고상의 실리카 습윤겔 및 기타 금속염을 포함하고 있었으며, 상기 금속염은 염화칼슘, 염화알루미늄, 염화철, 염화마그네슘, 염화망간 등의 금속염산염으로 이들이 용액 중에 용해된(용출된) 상태로 존재하였다. 이러한 상기 반응생성물을 50 mmHg 기압으로 감압하여 여과하고, 0.1N의 수산화칼륨 수용액으로 6회 세척하여 pH 6 내지 6.5 범위를 갖는 고상의 다공성 실리카 습윤겔를 회수하였으며, 이때 상기 다공성 실리카 습윤겔(SiO2)은 함수량이 41중량% 이었다.
The reaction product contained solid silica wet gel and other metal salts, and the metal salt was a metal hydrochloride such as calcium chloride, aluminum chloride, iron chloride, magnesium chloride, and manganese chloride, and they existed as dissolved (eluted) in solution . The reaction product was filtered under reduced pressure of 50 mmHg atmospheric pressure, and washed with 0.1 N aqueous potassium hydroxide solution six times to recover a solid porous silica wet gel having a pH ranging from 6 to 6.5. The porous silica wet gel (SiO 2 ) Had a water content of 41% by weight.

한편, 상기 실리카 습윤겔을 여과한 후 증류형 환류 반응기에 넣고, 용매로서 프로판올 1,000ml 및 n-부탄올 2000ml에 트리메톡시메틸실란(TMMS) 200ml를 가하였다. 반응기 내의 압력을 100 mmHg로 유지시키면서 반응기 내부의 온도가 80℃가 되도록 하여 용매를 증류시키면 용매와 수분이 동시에 증류하면서 유수분리가 생기게 된다. 이때 물은 하단 부분으로 용매는 상단 부분으로 분리되며 이러한 상단의 용매 층만을 환류(reflux)하면서 수분을 분리하였고, 수분이 모두 제거된 후 환류 라인을 폐쇄시키고 계속 감압 증류하여 용매를 증발시켰다.
On the other hand, the silica wet gel was filtered and charged into a distillation type reflux reactor, and 200 ml of trimethoxymethylsilane (TMMS) was added to 1,000 ml of propanol and 2000 ml of n-butanol as a solvent. When the pressure in the reactor is maintained at 100 mmHg and the temperature inside the reactor is 80 ° C, distillation of the solvent causes simultaneous distillation of the solvent and water, resulting in oil-water separation. At this time, the water was separated into the lower part and the solvent was separated into the upper part. Only the solvent layer on the upper side was refluxed and the water was separated. After the water was completely removed, the reflux line was closed and the solvent was evaporated by continued vacuum distillation.

그 결과, 용매가 모두 증발되어 건조된 에어로겔 분말 약 125g을 획득하였으며, 사용된 용매는 94%가 회수되었다. 이렇게 제조된 실리카 분말은 건조 상태에서의 순도가 94중량% 고순도의 실리카겔로서 획득되었으나, 68 mW/mk 수준의 열전도율, 51% 기공율을 나타내었으며, 비표면적이 약 410㎡/g, 입자의 평균 직경이 약 12㎛ 내지 15㎛ 그리고 평균 기공 직경이 약 21 Å의 물성을 나타내었다.
As a result, about 125 g of the dried airgel powder was obtained by evaporating all of the solvent, and 94% of the solvent used was recovered. The silica powder thus obtained was obtained as silica gel having a purity of 94% by weight in a dry state, but exhibited a thermal conductivity of 68 mW / mK and a porosity of 51%. The specific surface area was about 410 m 2 / g, About 12 탆 to 15 탆 and an average pore diameter of about 21 Å.

상기에서 나타난 바와 같이 순도, 평균 입도 및 비표면적 등은 양호하였으나, 비교예 2에서 획득된 생성물은 실시예 2보다 열전도율이 높고, 기공율이 매우 낮은 상태의 구조로 나타났으며, 이는 에어로겔의 물성과 거리가 있다.
As shown above, the purity, the average particle size and the specific surface area were good, but the product obtained in Comparative Example 2 had a higher thermal conductivity and a lower porosity than that in Example 2, There is distance.

비교예Comparative Example 3 3

교반형 반응기에 수재슬래그(100메쉬 이하) 1,000g을 투입하였다. 그리고 상단에 구비된 노즐을 통해 물 1,500g을 투입하여 3시간 동안 숙성하였다. 이후 반응기를 교반하면서 내부의 노즐을 통해 5N 염산 1,000g, 5N 질산 1,000g 의 혼합 무기산을 투입하였고, 무기산 투입이 끝나고 교반을 멈추면서 24시간 동안 30~80 ℃의 온도에서 숙성하여 망목 구조를 갖는 실리카 습윤겔을 형성하여 실시예 3과 동일하게 반응 생성물을 회수하였다.
1,000 g of wastewater slag (100 mesh or less) was added to the stirring type reactor. Then, 1,500 g of water was injected through a nozzle provided at the top and aged for 3 hours. Thereafter, 1,000 g of 5N hydrochloric acid and 1,000 g of 5N nitric acid were added to the reactor through the inner nozzle, and the mixture was aged at a temperature of 30 to 80 ° C for 24 hours while the addition of the inorganic acid was stopped. A silica wet gel was formed and the reaction product was recovered in the same manner as in Example 3.

상기 반응 생성물은 고상의 실리카 습윤겔 및 기타 금속염을 포함하고 있었으며, 상기 금속염은 염화칼슘, 염화알루미늄, 염화철, 염화마그네슘, 염화망간, 질산칼슘, 질산알루미늄, 질산철, 질산마그네슘, 질산망간 등의 금속염산염으로 이들이 용액 중에 용해된(용출된) 상태로 존재하였다. 이러한 상기 반응 생성물을 5,000rpm으로 원심분리장치를 사용하여 여과하고, 이때 세척 과정을 생략하여 pH 1.5 내지 2.5 범위를 갖는 고상의 다공성 실리카 습윤겔를 회수하였으며, 이 경우 상기 다공성 실리카 습윤겔(SiO2)은 함수량이 77중량% 이었다.
The reaction product includes solid silica wet gel and other metal salts and the metal salt may be a metal such as calcium chloride, aluminum chloride, iron chloride, magnesium chloride, manganese chloride, calcium nitrate, aluminum nitrate, iron nitrate, magnesium nitrate, They were present in the solution (eluted) in solution. The reaction product was filtered using a centrifugal separator at 5,000 rpm and the solid silica gel wet gel (SiO 2 ) was recovered, owing to the omission of the washing process, to obtain a solid porous silica wet gel having a pH ranging from 1.5 to 2.5. Had a water content of 77% by weight.

한편, 상기 실리카 습윤겔을 여과한 후 증류형 환류 반응기에 넣고, 용매로서 n-헥산올 3000ml에 헥사메틸디실록산(HMDSO) 400ml를 가하였다. 반응기 내의 압력을 50 mmHg로 유지시키면서 반응기 내부의 온도가 75℃가 되도록 하여 용매를 증류시키면 용매와 수분이 동시에 증류하면서 유수분리가 생기게 된다. 이때 물은 하단 부분으로 용매는 상단부분으로 분리되며 이러한 상단의 용매 층만을 환류(reflux)하면서 수분을 분리하였고, 수분이 모두 제거된 후 환류 라인을 폐쇄시키고 계속 감압 증류하여 용매를 증발시켰다.
On the other hand, the silica wet gel was filtered and charged into a distillation type reflux reactor, and 400 ml of hexamethyldisiloxane (HMDSO) was added to 3000 ml of n-hexanol as a solvent. When the pressure in the reactor is maintained at 50 mmHg and the temperature of the reactor is maintained at 75 ° C, distillation of the solvent causes distillation of the solvent and water at the same time, resulting in oil-water separation. At this time, the water was separated into the lower part and the solvent was separated into the upper part. Only the solvent layer on the upper side was refluxed and the water was separated. After the water was completely removed, the reflux line was closed and the solvent was evaporated by continued vacuum distillation.

그 결과, 용매가 모두 증발되어 건조된 에어로겔 분말 약 315g을 획득하였으며, 사용된 용매는 94%가 회수되었다. 이렇게 제조된 실리카 분말은 건조 상태에서의 순도가 44중량%의 저순도 실리카겔로서 획득되었으며, 78mW/mk 수준의 열전도율, 58% 기공율을 나타내었으며, 비표면적이 약 330㎡/g, 입자의 평균 직경이 약 18㎛ 내지 25㎛ 그리고 평균 기공 직경이 약 215 Å의 물성을 나타내었다.
As a result, about 315 g of the dried airgel powder was obtained by evaporating the solvent, and 94% of the used solvent was recovered. The silica powder thus obtained was obtained as a low purity silica gel having a purity of 44% by weight in a dry state, and had a thermal conductivity of 58 mW / mK and a porosity of 58%. The specific surface area was about 330 m 2 / g, About 18 탆 to 25 탆 and an average pore diameter of about 215 Å.

상기에서 나타난 바와 같이 평균 입도 및 평균 기공 직경 등은 양호하였으나, 비교예 3에서 획득된 생성물은 실시예 3보다 열전도율이 높고, 기공율이 매우 낮은 상태의 구조로 나타났으며, 이는 에어로겔의 물성과 거리가 있다.
As shown above, the average particle size and the average pore diameter were good, but the product obtained in Comparative Example 3 had a higher thermal conductivity and a lower porosity than that of Example 3, .

2. 세척 및 여과 횟수에 따른 순도의 변화2. Change of purity according to number of washing and filtration

세척 및 여과 횟수를 1 내지 10까지 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정에 의해 슬래그로부터 회수한 실리카겔을 이용하여 소수성 에어로겔을 제조하였다.
Hydrophobic aerogels were prepared using the silica gel recovered from the slag by the same procedure as in Example 1, except that the number of washing and filtration was varied from 1 to 10.

세척 및 여과 횟수에 따른 순도의 변화는 도 2에 나타난 바와 같이 세척 및 여과 횟수가 증가할수록 실리카의 순도가 높아지는 경향을 나타내며, 5회 세척 및 여과에서 90%이상의 고순도화 되었고, 세척 및 여과를 8회 정도 이상 수행하는 경우 거의 100%에 가까운 순도를 획득할 수 있다.
As shown in FIG. 2, the purity of the silica was increased with the number of washing and filtration, and the purity of the silica was increased with the number of washing and filtration. If the performance is more than about 100%, it is possible to obtain a purity close to 100%.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be obvious to those of ordinary skill in the art.

Claims (13)

슬래그 1 중량부 당 1 내지 10 중량부의 물을 첨가하여 숙성하는 제1 숙성 단계;
상기 숙성된 슬래그에 슬래그 1 중량부 당 0.5 내지 3 중량부의 무기산을 반응시키는 단계;
20℃ 내지 90℃ 의 온도에서 숙성하여 실리카 습윤겔 및 금속염을 획득하는 제2 숙성 단계;
상기 금속염을 세척 및 여과하여 고순도의 실리카 습윤겔을 회수하는 단계;
상기 실리카 습윤겔을 프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올 및 n-옥탄올로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 소수성 알코올 용매 및 실릴화제를 포함하는 혼합 용액에 넣고 실릴화 및 용매 치환 공정을 동시에 수행하는 단계; 및
건조하는 단계
를 포함하는, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법.
A first aging step in which 1 to 10 parts by weight of water is added per 1 part by weight of the slag to aged;
Reacting the aged slag with 0.5 to 3 parts by weight of inorganic acid per 1 part by weight of slag;
A second aging step of aging at a temperature of from 20 캜 to 90 캜 to obtain a silica wet gel and a metal salt;
Washing and filtering the metal salt to recover a high purity silica wet gel;
The silica wet gel is put into a mixed solution containing at least one hydrophobic alcohol solvent and silylating agent selected from the group consisting of propanol, n-butanol, n-pentanol, n-hexanol and n-octanol, Performing a solvent replacement step at the same time; And
Drying step
&Lt; / RTI &gt; wherein the silica is recovered from the slag.
제 1항에 있어서, 상기 슬래그는 고로슬래그, 제강슬래그, 전기로슬래그, 정련슬래그, 수재슬래그, 및 괴재슬래그로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the slag is at least one selected from the group consisting of blast furnace slag, steel slag, electric furnace slag, refining slag, water slag, and loose slag, and a method for producing hydrophobic aerogels using silica recovered from slag .
제 1항에 있어서, 상기 무기산은 질산 및 염산으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법.
The method of producing a hydrophobic aerogels according to claim 1, wherein the inorganic acid is at least one selected from the group consisting of nitric acid and hydrochloric acid.
제 3항에 있어서, 상기 무기산은 농도가 3N 내지 12N인, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법.
4. The method of producing a hydrophobic aerogels according to claim 3, wherein the inorganic acid has a concentration of 3N to 12N, and recovered from the slag.
제 1항에 있어서, 상기 제2 숙성 단계는 3 내지 48 시간 동안 수행되는, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the second aging step is performed for 3 to 48 hours.
제 1항에 있어서, 상기 여과는 1.5 내지 5 기압으로 가압하여 수행하는 방법, 30 내지 200 mmHg로 감압하여 수행하는 방법 및 1,000 내지 10,000 RPM으로 원심분리하여 수행하는 방법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 수행되는, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the filtration is carried out by any one of a method of performing filtration at a pressure of 1.5 to 5 atm, a method of performing decompression at 30 to 200 mmHg, and a method of performing centrifugation at 1,000 to 10,000 RPM A process for preparing hydrophobic aerogels using silica recovered from slag.
제 1항에 있어서, 상기 금속염의 세척은 세척 후 pH가 5 내지 8이 되도록 물 또는 1N 이하의 알칼리 수용액을 사용하여 1 내지 8회 수행되는, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the washing of the metal salt is performed 1 to 8 times using water or an alkali aqueous solution of 1N or less so that the pH is 5 to 8 after washing.
제 1항에 있어서, 상기 실리카 습윤겔은 수분 함유량이 70% 이상인 다공성 실리카 습윤겔인, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the silica wet gel is a porous silica wet gel having a water content of at least 70%.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 금속염은 질산칼슘, 질산알루미늄, 질산철, 질산마그네슘, 질산망간, 염화칼슘, 염화알루미늄, 염화철, 염화마그네슘 및 염화망간으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the first metal salt includes at least one selected from the group consisting of calcium nitrate, aluminum nitrate, iron nitrate, magnesium nitrate, manganese nitrate, calcium chloride, aluminum chloride, iron chloride, magnesium chloride, Wherein the silica is recovered from the slag.
제 1항에 있어서, 상기 실릴화제는 헥사메틸디실란, 트리메톡시실란, 트리메톡시메틸실란, 에틸트리에톡시실란, 트리에틸에톡시실란, 메틸트리메톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 메톡시트리메틸실란, 트리메틸클로로실란, 헥사메틸디실록산(HMDSO) 및 트리에틸클로로실란으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인, 슬래그로부터 회수한 실리카를 이용한 소수성 에어로겔의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the silylating agent is selected from the group consisting of hexamethyldisilane, trimethoxysilane, trimethoxymethylsilane, ethyltriethoxysilane, triethylethoxysilane, methyltrimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, Wherein at least one selected from the group consisting of methoxytrimethylsilane, trimethylchlorosilane, hexamethyldisiloxane (HMDSO) and triethylchlorosilane is used.
제 1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된, 입자의 평균 직경이 2 내지 200 ㎛인, 소수성 에어로겔.
A hydrophobic airgel prepared by the method of claim 1, wherein the average diameter of the particles is 2 to 200 μm.
제 11항에 있어서, 상기 소수성 에어로겔은 비표면적이 400 내지 1300m2/g인, 소수성 에어로겔.
The hydrophobic airgel of claim 11, wherein the hydrophobic airgel has a specific surface area of 400 to 1300 m 2 / g.
제 11항에 있어서, 상기 소수성 에어로겔은 평균 기공 직경이 7 내지 200 nm인, 소수성 에어로겔.The hydrophobic airgel of claim 11, wherein the hydrophobic airgel has an average pore diameter of 7 to 200 nm.
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