一种利用煤基固废制备介孔二氧化硅的方法

本发明属于介孔材料合成，尤其是一种利用煤基固废制备介孔二氧化硅的方法。

背景技术：

1、随着煤炭燃烧量的持续增加，煤基固体废弃物(简称煤基固废)的产量逐年提高。煤基固废包括粉煤灰、煤矸石、炉渣、气化渣等，具有较高的硅、铝元素含量，这些废弃物的利用率目前较低，主要应用于建筑材料、农业土壤改良以及微晶玻璃制备。此外，高价值元素(如锂、镓和稀土元素)提取、废水处理及多孔材料合成等高值化利用也存在不足。未来，煤基固废的高值化利用是煤炭资源化利用的主要方向，也是发展循环经济和实现可持续发展战略的重要途径。

2、介孔二氧化硅是一种通过硅源与碱金属或碱土金属的硅酸盐反应生成的一种材料。它具有特殊的多孔结构，呈现出高孔容、比表面积、孔道规整等特性。这些特性使得介孔二氧化硅在催化剂、吸附、药物载体等方面具有巨大的应用潜力。

3、煤基固废中，粉煤灰和煤矸石具有较高的硅铝元素含量，炉渣则含有丰富的矿物质成分，是合成高纯度介孔二氧化硅的理想且廉价的材料。通过无模板法从煤基固废中提取高纯度介孔二氧化硅，不仅可以实现煤基固废的资源化利用，还能够制备出具有广泛应用前景的功能材料。这种方法不仅经济高效，而且符合环保要求，具有重要的应用价值和发展潜力。

4、现有技术中，在合成原料上，合成介孔sio2需采用有机硅前驱体(如硅烷氧化物、正烷氧基硅烷、烷基胺、水玻璃钠和气相硅酸钠)和有机模板。原料中所采用的有机硅前驱体成本十分昂贵，工业规模生产成本过高，增加了生产成本和环境影响。

5、在制备方法上，合成介孔二氧化硅主要的方法为水热模板法法和溶胶-凝胶法。该方法存在一定的缺点，水热模板法缺点是反应时间较长、操作工序繁琐，溶胶-凝胶法缺点是前驱体的组分和均匀性难以控制，这些特性使得水热模板法和溶胶-凝胶法为基础的工艺很难实现大规模的工业化产，这也是目前介孔二氧化硅材料没有进入量产阶的主要原因，因此，研究以粉煤灰为原料合成高纯度介孔二氧化硅的方法是现在急需的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用煤基固废制备介孔二氧化硅的方法，制备的介孔二氧化硅具有均匀的孔结构以及较大的比表面积，该合成方法步骤简单，不需要模板剂，合成得到的介孔二氧化硅可用于吸附和催化等领域。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种利用煤基固废制备介孔二氧化硅的方法，包括以下步骤：

4、步骤一、碱熔剂焙烧热活化：称取研磨后煤基固废加入碱熔剂，混匀后在马弗炉中加热焙烧；

5、步骤二、焙烧结束后，冷却，焙烧样取出使用冷蒸馏水洗涤，直到滤液ph值达到7，洗涤后焙烧样在烘箱中干燥；

6、步骤三、在步骤二中得到的焙烧灰中加入无机酸溶液，连续搅拌和回流，反应结束后冷却；

7、步骤四、将酸浸液过滤，使用热蒸馏水洗涤至ph为7，滤渣烘箱烘干即得到样品高纯度介孔二氧化硅。

8、本发明技术方案的进一步改进在于：步骤一中的碱熔剂包括钠系碱熔剂、钙系碱熔剂和铵系碱熔剂的一种或者几种，钠系碱熔剂包括na2o2、na2o、na2co3、naoh、nacl；钙系碱熔剂包括caco3、cao、caso4、ca(oh)2，铵系碱熔剂包括(nh4)2so4和nh4cl。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：步骤一中碱熔剂与煤基固废质量比0.8-3.0，马弗炉中焙烧的温度为600-900℃，焙烧时间1-3h。通过调节碱熔剂的种类及其与粉煤灰的质量比，可以优化焙烧过程中的反应条件，提高产物的纯度和比表面积。焙烧温度和时间的选择能有效地去除杂质并促进介孔结构的形成。

10、本发明技术方案的进一步改进在于：步骤二和步骤四中在烘箱中干燥温度为90-120℃，干燥时间为6-12h。

11、本发明技术方案的进一步改进在于：步骤三中无机酸包括盐酸、硝酸和硫酸，其中无机酸溶液的浓度为2-8mol/l，焙烧灰和无机酸溶液的质量和体积比为1:5-1:15，反应温度为60-90℃，反应时间为1-3h。在酸浸过程中，通过调节固液比、无机酸浓度、反应温度和时间，可以进一步优化介孔二氧化硅的结构和性能。

12、步骤二和步骤四中焙烧后冷蒸馏水水洗和酸浸后热蒸馏水水洗，能够去除水溶性杂质，去除未反应完全的碱/酸性物质，使产物二氧化硅更加纯净，减少后续实验或应用中的干扰因素，确保产物的化学性质和稳定性。这些方法步骤使得整个合成过程更加高效，所获得的介孔二氧化硅在均匀性和比表面积方面具有优异的性能。

13、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

14、本申请制备介孔二氧化硅的方法简化了合成工艺，本发明无需使用模板剂，通过控制焙烧和酸浸条件即可合成高纯度的介孔二氧化硅，工艺步骤简单，成本较低。

15、本申请制备方法提高了产品性能：合成的介孔二氧化硅具有均匀的孔结构和较大的比表面积，使其在吸附和催化等应用中表现出色。

16、本申请制备方法绿色环保：通过使用粉煤灰为原料，变废为宝，实现了资源的循环利用，减少了环境污染。

17、本申请制备方法高效产出：整个过程高效节能，所需时间较短，适合大规模生产。

18、这些技术进步使得本发明在工业应用中具有显著的优势，能够有效地生产高质量的介孔二氧化硅，推动相关领域的发展。

技术特征：

1.一种利用煤基固废制备介孔二氧化硅的方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种利用煤基固废制备介孔二氧化硅的方法，其特征在于：步骤一中的碱熔剂包括钠系碱熔剂、钙系碱熔剂和铵系碱熔剂的一种或者几种，钠系碱熔剂包括na2o2、na2o、na2co3、naoh、nacl，钙系碱熔剂包括caco3、cao、caso4、ca（oh）2，铵系碱熔剂包括（nh4）2so4和nh4cl。

3.根据权利要求2所述的一种利用煤基固废制备介孔二氧化硅的方法，其特征在于：步骤一中碱熔剂与煤基固废质量比0.8-3.0，马弗炉中焙烧的温度为600-900℃，焙烧时间1-3h。

4.根据权利要求1所述的一种利用煤基固废制备介孔二氧化硅的方法，其特征在于：步骤二和步骤四中在烘箱中干燥温度为90-120℃，干燥时间为6-12h。

5.根据权利要求1所述的一种利用煤基固废制备介孔二氧化硅的方法，其特征在于：步骤三中无机酸包括盐酸、硝酸和硫酸，其中无机酸溶液的浓度为2-8mol/l，焙烧灰和无机酸溶液的质量和体积比为1:5-1:15，反应温度为60-90℃，反应时间为1-3h。

技术总结本发明公开了一种利用煤基固废制备介孔二氧化硅的方法，属于介孔材料合成技术领域，包括以下步骤：一、碱熔剂焙烧热活化：称取研磨后煤基固废加入碱熔剂，混匀后在马弗炉中加热焙烧；二、焙烧结束后，冷却，焙烧样取出使用冷蒸馏水洗涤，直到滤液pH值达到7，焙烧样洗涤后在烘箱中干燥；三、在步骤二中得到的钠化焙烧灰中加入无机酸溶液，连续搅拌和回流，反应结束后冷却；四、将酸浸液过滤，使用热蒸馏水洗涤至pH为7，滤渣烘干即得到样品高纯度介孔二氧化硅。本申请制备介孔二氧化硅的方法简化了合成工艺，本发明无需使用模板剂，通过控制焙烧和酸浸条件即可合成高纯度的介孔二氧化硅，工艺步骤简单，成本较低。技术研发人员：李神勇,庞薇,秦身钧,吕大炜,黄伟军,郑雪,郝龙龙,侯佳佳,门长全受保护的技术使用者：河北工程大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17