申请日2011.10.25
公开(公告)日2012.06.20
IPC分类号B82Y40/00; C01B33/12
摘要
一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化硅的方法，它涉及一种纳米二氧化硅的制备方法。本发明要解决现有技术制备的纳米SiO2存在高能耗和高成本的问题。方法：首先获得小粒径的干燥污泥;然后依次经过炭化处理、酸浸处理和碱式活化处理得到硅酸盐溶液，最后采用表面改性溶胶-凝胶法、表面活性剂溶胶-凝胶法或无表面活性剂溶胶-凝胶法制备得到纳米二氧化硅。本发明优点：一、减少环境污染，降低制备成本;二、比表面积大、粒度分布均匀、分散性好、表面性质优良;三、可同时获得多孔、较高SBET面积的污泥活性炭;四、具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及特殊的光电特性。本发明主要用于制备纳米二氧化硅。
权利要求书
1.一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化硅的方法，其特征在于纳米二氧化硅是 按以下步骤完成：
一、首先将污泥经过自然干燥至恒重，然后采用机械破碎，筛分得到粒径小于100μm的 干燥污泥;二、对步骤一制备的干燥污泥进行炭化处理，得到炭化污泥;三、将步骤二制备 的炭化污泥进行酸浸处理，通过固液分离得到硅炭复合体;四、将步骤三得到的硅炭复合体 采用碱式活化处理，得到硅酸盐溶液;五、将步骤四得到的碳酸盐溶液采用表面改性溶胶- 凝胶法、表面活性剂溶胶-凝胶法或无表面活性剂溶胶-凝胶法制备得到纳米二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化硅的方法，其特 征在于步骤一中所述的污泥选自城市污水厂脱水剩余污泥、生物膜污泥、浓缩污泥、工业污 水处理污泥、企业污水处理污泥、造纸污泥、消化污泥、消化污泥与初沉污泥的混合物和剩 余污泥与初沉污泥的混合物。
3.根据权利要求2所述的一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化硅的方法，其特 征在于步骤二中所述的炭化处理为在500℃～1000℃、保护气体保护下炭化时间为1h～6h，其 中所述的保护气体选自氮气、氩气、氦气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气。
4.根据权利要求3所述的一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化硅的方法，其特 征在于步骤三中所述的酸浸处理具体操作过程为：将步骤二制备的炭化污泥在温度为50℃ ～90℃下放入酸浸取剂中处理0.5h～3h;其中所述的酸提取剂选自盐酸、硫酸和硝酸;其中所 述的炭化污泥与酸浸取剂的质量比为1∶(15～25)。
5.根据权利要求4所述的一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化硅的方法，其特 征在于步骤四中所述的碱式活化处理具体操作过程为：将步骤三得到的硅炭复合体与碱性活 化剂均匀混合，然后在温度为600℃～1000℃下活化1h～12h，得到硅炭材料，将硅炭材料冷却 至50℃～90℃，然后加入去离子水进行水洗处理，水洗处理时间为1h～12h，进分离得到硅酸 盐溶液;其中所述的碱性活化剂的溶质选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸钾，碱性活 化剂的溶剂为水;其中所述的硅炭复合体与碱性活化剂的质量比为1∶(0.5～3);其中所述的硅 炭材料与去离子水的质量比为1∶(10～50)。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化 硅的方法，其特征在于步骤五中所述的表面改性溶胶-凝胶法具体操作过程为：在温度为 20℃～30℃的条件下向步骤四制备的硅酸盐溶液中加入表面活性剂，并混合均匀得到混合物， 在磁力搅拌速度为100r/min～300r/min下向混合物中加入0.5mol/L～3.0mol/L的硫酸溶液或盐 酸溶液，将混合物的pH调节至9.0，得到中和后的硅酸盐溶液，取出磁力搅拌器转子静置至 中和后的硅酸盐溶液成为水凝胶，在45℃～55℃下将水凝胶放入蒸馏水中浸泡陈化12～24h， 然后采用蒸馏水洗涤陈化后的水凝胶，洗涤1～5次，然后在45℃～55℃下将洗涤后的水凝胶 放入己烷溶剂中，并在45℃～55℃下密封浸泡12h～48h，得到凝胶，在45℃～55℃下将凝胶放 入六甲基二硅氨烷-己烷溶液中，浸泡24h～48h，得到表面改性凝胶，然后采用己烷溶剂对表 面改性凝胶进行洗涤，洗涤1～5次，得到有机凝胶，最后将有机凝胶在85℃～95℃下鼓风干 燥10h～24h或在40℃～50℃下真空干燥10h～24h，即得到纳米二氧化硅;其中所述的表面活性 剂为质量分数为1～10%的聚乙二醇-10000，所述加入的表面活性剂与硅酸盐溶液的体积比为 (1～6)∶100;其中所述的六甲基二硅氨烷-己烷溶液中六甲基二硅氨烷与己烷的体积比为 (3～7)∶100。
7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化 硅的方法，其特征在于步骤五中所述的表面活性剂溶胶-凝胶法具体操作过程为：在温度为 20℃～30℃的条件下向步骤四制备的硅酸盐溶液中加入表面活性剂，并混合均匀得到混合物， 然后在温度为20℃～30℃、频率为30KHz～50KHz的超声辅助下，向混合物中逐滴加入 0.5mol/L～3.0mol/L的硫酸溶液或0.5mol/L～3.0mol/L的盐酸溶液，将混合物的pH调节至4～10， 继续在温度为20℃～30℃、频率为30KHz～50KHz的超声辅助下空化20min～40min，然后在温 度为20℃～30℃下陈化2h～24h，经过滤得到湿的二氧化硅凝胶，采用去离子水反复洗涤湿的 二氧化硅凝胶，至洗涤液的电导率不变为止，再用无水乙醇洗涤2～4次，得到二氧化硅凝胶， 最后将二氧化硅凝胶在85℃～95℃下鼓风干燥8h～16h或在40℃～50℃下真空干燥10～24h，即 得到纳米二氧化硅;其中所述的表面活性剂为质量分数为1～10%的聚乙二醇-10000，所述加 入的表面活性剂与硅酸盐溶液的体积比为(1～6)∶100。
8.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化 硅的方法，其特征在于步骤五中所述的无表面活性剂溶胶-凝胶法具体操作过程为：在温度为 30℃～90℃的水浴加热、搅拌速度为100r/min～300r/min的恒速搅拌状态下向步骤四制备的硅 酸盐溶液中逐滴加入0.5mol/L～3.0mol/L的硫酸溶液或盐酸溶液，得到沉淀，在温度为 20℃～30℃下将沉淀陈化2h～24h，经过滤得到湿的二氧化硅凝胶，采用去离子水反复洗涤湿 的二氧化硅凝胶，至洗涤液的电导率不变为止，再用无水乙醇洗涤2～4次，得到二氧化硅凝 胶，最后将二氧化硅凝胶在85℃～95℃下鼓风干燥10h～24h或在40℃～50℃下真空干燥 10～24h，即得到纳米二氧化硅。
说明书
一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化硅的方法
技术领域
本发明涉及一种纳米二氧化硅的制备方法。
背景技术
公众对环境质量要求的日渐提高，使我国城市污水处理程度和处理规模与日俱增，因此 作为污水处理产物的城市污泥量也迅速增加。污泥本身是一种由有机物质残片、细菌菌体、 无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，pH值为6-7，总碱度约为200mg/L，一般不 会影响后续处理及利用。可以将污泥区分为颗粒态、生物絮凝态、胶体及水溶态4个组分。 污泥颗粒态组分主要由粒径>40μm的污泥矿物颗粒、动植物和塑料等分解碎片组成;生物絮 凝体组分主要由絮凝的污泥细菌构成;胶体组分主要由呈胶体状态的有机物和未絮凝的细菌 分解残片组成;可溶性组分则主要包括可溶性的有机物质(大多数分子量<1500Da)和无机 阴阳离子。大量的研究证实城市污泥大部分由生物絮凝态组成，占污泥总量的40%～60%，其 次为颗粒态组分(占25%～45%)，而可溶性(约占6%～10%)和胶体组分(约占1%)所占比 例比较小。污泥绝大部分以生物絮凝态组分(主要是有机质)为主，与污水采用生物处理法 有密切的关系。污泥中含有的许多有益成分，不善加利用又造成资源浪费。因此，如何将产 量大、成分复杂的污泥合理处置利用以避免二次污染并创造经济价值便成为今后我国创建节 约型社会、实现可持续发展进程中一个前景广阔的发展方向。
利用污泥中有机物质含量高的特点和相关的物理、化学活化方法可以制备出污泥炭材料， 其制备过程中必不可少的一个步骤就是酸洗，很多文献都对此进行过相关报道。污泥炭材料 中含有的碱性氧化物可以被酸浸洗出来，而污泥中含量最多的酸性无机氧化物——SiO2(大 部分为α-石英)无法洗脱出来，残留在炭结构中，从而使得污泥炭材料的SBET面积和孔隙无 法充分得到发挥。
现有技术制备纳米SiO2的硅源多数采用正硅酸烷基酯和硅酸盐，但存在高能耗和高成本 的缺点，已经成为人们愈来愈关注的问题。
发明内容
本发明要解决现有技术制备的纳米SiO2存在高能耗和高成本的问题，而提供一种以碱式 活化污泥炭为原料制备纳米二氧化硅的方法。
一种以碱式活化污泥炭为原料制备纳米二氧化硅的方法，具体是按以下步骤完成：一、 首先将污泥经过自然干燥至恒重，然后采用机械破碎，筛分得到粒径小于100μm的干燥污泥; 二、对步骤一制备的干燥污泥进行炭化处理，得到炭化污泥;三、将步骤二制备的炭化污泥 进行酸浸处理，通过固液分离得到硅炭复合体;四、将步骤三得到的硅炭复合体采用碱式活 化处理，得到硅酸盐溶液;五、将步骤四得到的碳酸盐溶液采用表面改性溶胶-凝胶法、表面 活性剂溶胶-凝胶法或无表面活性剂溶胶-凝胶法制备得到纳米二氧化硅。
本发明优点：一、本发明利用污泥制备纳米二氧化硅，为污泥提供新的用途，减少环境 污染，而且降低了纳米二氧化硅的制备成本;二、本发明制备的纳米二氧化硅比表面积大、 粒度分布均匀、分散性好、表面性质优良的产品;三、本发明步骤四中得到的滤渣可制备成 多孔、较高SBET面积的污泥活性炭，可以用作净化水、空气中污染物的吸附材料;四、本 发明制备的纳米二氧化硅产品具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及特殊的光电 特性，以及在高温下仍具有高强、高韧、稳定性好等特点，可广泛应用于各个相关领域。
