農(nóng)作物廢棄物制備二氧化硅氣凝膠的工藝優(yōu)化

黃駿 王宇旭 劉超

摘 要：作為一個農(nóng)業(yè)大國，中國豐富的糧食生產(chǎn)會產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈廢棄物。焚燒秸稈不僅污染環(huán)境，而且浪費資源。秸稈中二氧化硅的含量高于其它秸稈。從稻草材料中提取二氧化硅制備新材料不僅可以改造廢物，減少環(huán)境污染，提高農(nóng)作物秸稈的附加值，還可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)與其它學(xué)科的交叉。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物;廢棄物;二氧化硅;氣凝膠

1 前 言

文章以硅酸鈉和硅為原料，從微觀結(jié)構(gòu)、密度、孔隙率和組成等方面對真空冷凍干燥秸稈硅制備氣凝膠進(jìn)行了分析，探索了更好的制備方法，研究了秸稈生物質(zhì)制備氣凝膠的工藝條件。

2 二氧化硅氣凝膠工藝概述

天然生物質(zhì)是既大量又可持續(xù)的資源。幾千年來，它們一直是人類生存和發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。

2.1 農(nóng)業(yè)廢棄物對二氧化硅氣溶膠制備的意義

中國的農(nóng)業(yè)秸稈產(chǎn)量已達(dá)到每年7億噸，工業(yè)利用率僅為1%左右。田地里燃燒了大量的稻草，火災(zāi)和煙霧嚴(yán)重污染了環(huán)境，甚至影響了民航的安全?？梢?，農(nóng)業(yè)剩余迫切需要科學(xué)管理和有效利用。目前，許多研究人員試圖從秸稈中提取和利用二氧化硅，這不僅有利于農(nóng)作物秸稈的合理利用，而且符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，滿足不同的生產(chǎn)要求。

2.2 二氧化硅氣溶膠合成

二氧化硅氣凝膠是納米顆粒的連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)?？紫冻錆M空氣介質(zhì)，這是一種高度分散、輕質(zhì)、多孔和無定形的材料。它具有比表面積大、孔隙率高、隔熱性能好、密度低等優(yōu)良性能，部分參數(shù)可控制連續(xù)可調(diào)，在絕緣、催化、節(jié)能、環(huán)保、石化、藥物釋放、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸如絕熱材料、催化劑和載體、聲阻抗耦合和cherenkov檢測器的材料。二氧化硅氣凝膠通常通過溶膠 - 凝膠法，二氧化硅衍生的羥基溶膠水解縮合反應(yīng)，溶膠的一級和二級顆粒成鏈，形成濕凝膠，超臨界濕凝膠和最終氣凝膠。硅源的選擇對最終硅膠的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有很大影響。1931年，奇石樂用水玻璃制備了最早的硅膠，并詳細(xì)研究了硅膠制備的各種工藝條件和反應(yīng)機理。研究發(fā)現(xiàn)，選擇合適的硅源是獲得結(jié)構(gòu)完整，性能優(yōu)良的硅氣凝膠的關(guān)鍵。為此，以水玻璃和秸稈為原料，采用真空冷凍干燥法制備了二氧化硅氣凝膠，并對其性能進(jìn)行了分析。氣凝膠制備條件和工藝的優(yōu)化不僅有利于氣凝膠材料的開發(fā)，也有利于氣凝膠生產(chǎn)原料的擴大，對生物廢棄物資源的再利用具有重要意義。

3 制備過程

3.1 材料和設(shè)備

稻草購自江蘇省東?？h，含水量為10% ～ 12%。硅酸鈉購自上海測試四合威化工有限公司。真空冷凍干燥機（lgj-18a）購自上海依依儀器制造有限公司。恒速混合機（s312-60）購自上海梅英普儀器。收集式恒溫加熱磁力攪拌器（DF）-101s購自河南裕華儀器有限公司。PH計（FE28）購自上海全一儀器有限公司。

3.2 制備方法

用電子天平精確取10 g硅酸鈉，加入去離子水，1：7，1：10，1：13（硅酸鈉與去離子水的重量比）攪拌直至完全溶解。然后在硅酸鈉溶液中加入10%硫酸，調(diào)節(jié)pH值至1 ～ 2，并緩慢加入10%氫氧化鈉溶液至pH值分別為7，8和9。不斷攪拌并凝膠24 h。用去離子水反復(fù)沖洗以除去雜質(zhì)。然后將無水乙醇溶劑用于交換72 h，每24 h更換無水乙醇。將制備的醇凝膠放入真空冷凍干燥器中，在真空度20 Pa下干燥24 h，得到硅膠。秸稈在600℃真空爐中燒制，稱取10 g秸稈灰，用硫酸酸洗。將植物灰與5%氫氧化鈉溶液混合，固液比為1 g：5 mL，并加熱至2.通過真空過濾制備秸稈基硅酸鈉5 h。將1：7，1：10，1：13（硅酸鈉與去離子水的體積比）加入去離子水中直至完全溶解。在草基中，玻璃水溶液和硫酸的濃度為10%，pH值調(diào)節(jié)至1 ～ 2，然后pH值連續(xù)降低。10%氫氧化鈉溶液的pH值分別為7，8和9，并連續(xù)攪拌氫氧化鈉溶液，靜置水凝膠24 h，將陳華金水凝膠浸泡在無水乙醇中72 h，每24 h用無水乙醇秸稈代替乙醇凝膠;將醇凝膠放入真空冷凍干燥器中，在20 Pa下干燥24 h，得到秸稈基硅膠。

3.3 性能測試

將植物灰與5%氫氧化鈉溶液混合，固液比為1 g：? ?5 ml并加熱至2.通過真空過濾制備硅酸鈉5 h。加入1：7，1：10，1：13去離子水（硅酸鈉與去離子水的體積比）直至完全溶解。草堿中玻璃溶液和硫酸的濃度為10%，pH值調(diào)節(jié)至1 ～ 2，然后pH值連續(xù)降低。酸堿度在10%氫氧化鈉溶液中保持7，8，9左右，持續(xù)攪拌氫氧化鈉。將鈉溶液，水凝膠24 h，牽牛花金水凝膠在無水乙醇中浸泡72 h。每24 h用無水乙醇秸稈代替乙醇凝膠。將醇凝膠放入真空冷凍干燥器中，在20 Pa下干燥24 h，得到秸稈基硅膠。稱取質(zhì)量為m1的小型烘缸（ 規(guī)格 5 mL）? ，填充一定體積的二氧化硅氣凝膠粉末，振動， 讀取第25小氣瓶中的氣凝膠粉體積， 重質(zhì)量 m2小氣瓶，氣凝膠，使用公式 計算氣凝膠粉末的振動密度。

4 結(jié)果分析

4.1 氣凝膠密度影響

在形成凝膠之后，氣凝膠的振實密度隨著溶液的pH增加而增加。當(dāng)pH為7時，硅振實密度為0.075 g/cm3。pH為9時，振實密度增加到0.148 g/cm3。這是因為當(dāng)凝膠體系的pH增加到堿性范圍時，硅酸的縮聚反應(yīng)變得越來越快，并且通過水解獲得的凝膠化時間不長。交聯(lián)體積大，交聯(lián)速度快，凝膠速度快。由氣凝膠形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對緊湊，導(dǎo)致產(chǎn)品的高表觀密度。當(dāng)硅酸鈉與去離子水的比例為1：7時，硅氧烷龍頭的最小密度僅為0.075 g/cm3。隨著去離子水的體積增加，硅酮龍頭的密度逐漸增加。當(dāng)硅酸鈉與去離子水比為1：13時，振實密度最大值為0.280 g/cm3。這種現(xiàn)象可能是由于反應(yīng)物濃度較低，形成拉長的凝膠骨架，在干燥過程中，在毛細(xì)作用下容易坍塌，導(dǎo)致氣凝膠密度增加。結(jié)果表明，硅酸鈉與去離子水的體積比對振動密度有一定的影響。

4.2 氣溶膠孔隙率影響

當(dāng)硅酸鈉與去離子水的比例為1：7時，溶液總是液體并且不形成凝膠。當(dāng)比例為1：13時，凝膠過程中逐漸出現(xiàn)不同程度的晶體，導(dǎo)致凝膠密度不均勻，無法制備均勻分散的硅膠。只有當(dāng)硅酸鈉與去離子水的比例為1：10時，才能制備相對均勻的二氧化硅氣凝膠。由吸管制備的氣凝膠密度約為0，最小振動密度為0. 194 g/cm3，最大值為0，所有0.219 g/cm3均可滿足氣凝膠材料的密度要求。當(dāng)凝膠系統(tǒng)的pH值為7，8和9時，秸稈氣凝膠樣品的密度沒有顯著差異?？梢钥闯?，由秸稈制備的氣凝膠在堿性條件下對密度幾乎沒有影響。二氧化硅氣凝膠的孔隙率分別為96%和87%。不難看出硅膠是具有大量孔的多孔材料。凝膠的pH值和水玻璃的稀釋度影響硅膠的孔隙率。當(dāng)凝膠pH值恒定時，孔隙率隨著去離子水的體積比增加而降低，這主要是由于反應(yīng)物濃度的降低，并且形成的氣凝膠骨架變得更加細(xì)長。在干燥過程中，氣凝膠在毛細(xì)管作用下趨于塌陷，氣凝膠的密度增加，孔隙率降低。當(dāng)水玻璃與去離子水的體積比固定時，氣凝膠的孔隙率隨著凝膠體系的pH值增加而降低，并且凝膠表面上存在許多羥基。在干燥過程中，羥基易于脫水和縮合，導(dǎo)致凝膠骨架收縮，氣凝膠密度增加和孔隙率降低。

5 結(jié) 語

由秸稈得到的硅膠密度符合氣凝膠材料的要求。當(dāng)凝膠系統(tǒng)的pH值為7時，兩種材料的氣凝膠密度是最佳的。秸稈氣凝膠的孔隙率約為90%，水玻璃氣凝膠的孔隙率隨制備過程而變化。隨著去離子水的體積增加，孔隙率降低。不同的凝膠pH值也會影響孔隙度。

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