硅藻土制备介孔SiO2气凝胶
时间：2021-01-25 20:06:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：采用响应面法对由硅藻土制取水玻璃的工艺进行优化，进而选择最佳工艺参数在常压干燥下成功合成了SiO2气凝胶材料。试验结果表明：当碱硅比为3∶10，NaOH溶液浓度为10%，反应温度为90℃时，水玻璃模数测定值与SiO2溶出率的加权平均值达到最大值79.91%；利用N2物理吸附、FESEM、TEM、FT-IR、TG/SDTA对气凝胶的基本性能和形貌结构进行了研究。结果表明，制备得到的气凝胶密度为0.132～0.143 g/m3，比表面积达755.5 m2/g，形貌为不规则纳米晶粒堆积而成的海绵状结构，孔径分布集中，经改性后的气凝胶的疏水性可保持到400℃左右。
关键词：硅藻土； 水玻璃； 响应面法； SiO2气凝胶； 介孔
中图分类号：X703.5 文献标志码：A
文章编号：16744764（2013）02014106
SiO2气凝胶材料是一种由纳米量级粒子聚集并以空气为分散介质形成的新型非晶固体材料，自20世纪90年代以来，引起了材料学者极大的研究兴趣，世界各国的学者对其进行了广泛的研究，但气凝胶的发展却一直缓慢，虽然它在航空航天、绝热保温、催化、吸附等领域均具有极大的应用前景，但目前在世界范围内仍未得到大规模商业化应用。其中最重要的原因就是气凝胶的制备成本过高，目前低成本制备气凝胶是其重要的研究方向之一，广泛采用的硅源主要有TEOS、TMOS、PEDS等硅醇盐，价格昂贵且具有一定毒性，因此，研究低成本常压干燥制备气凝胶材料很有必要，近几年来，相继出现了以水玻璃、粉煤灰、稻壳灰等廉价资源作为硅源制备气凝胶的研究报道。
硅藻土是一种无定形的硅质非金属矿物，化学成分主要为非晶态SiO2，以SiO2H2O的形式存在。目前，硅藻土主要应用于助滤剂、污水处理、催化剂载体、功能填料等领域 [13]，将硅藻土作为硅源制备硅气凝胶材料的研究较少[4]。因此，考虑通过碱溶法提取硅藻土中活性硅生成水玻璃来进一步制备SiO2气凝胶材料，可大大降低气凝胶材料的生产成本，提高了硅藻土的利用价值，具有重要意义。BoxBehnken实验设计是响应曲面设计方法之一，具有所需的试验次数相对较少、效率高，所有的影响因素不会同时处于高水平，所有的试验点都落在安全操作区域内等优点，可以评价指标和因素间的非线性关系，已被广泛的用于生物过程、化学合成过程以及药物处方筛选过程的优化。基于此，本文采用廉价硅藻土为原料，通过BoxBehnken实验设计优化其制备水玻璃工艺过程，并在常压干燥下成功合成了SiO2气凝胶材料。
王宝民，等：硅藻土制备介孔SiO2气凝胶
1 试验材料
1.1 原料
试验用硅藻土购自天津致远有限公司，采用日本岛津XRF1800型荧光光谱仪对其进行成分分析，结果如表1所示。
采用日本Rigaku D/max2400 X射线衍射仪对样品的矿物成分进行分析，结果如下图所示，试验用硅藻土含矿物成分方石英和石英晶体。
1.2 药品
试验中采用NaOH、甲基橙、NaF、盐酸、氨水、乙醇（EtOH）、正己烷（nhexane）、三甲基氯硅烷（TMCS）等试剂均为国产分析纯AR级别。
2 试验方法与设计
2.1 试验方法
水玻璃的制备工艺是将一定粒度（过200目筛）的硅藻土与NaOH在一定温度下反应，其化学反应式如下：
2.2 试验设计
根据前期试验和相关文献[79]可知，碱硅比、NaOH浓度、反应温度和反应时间4个因素对制备的水玻璃模数和SiO2溶出率均有一定影响，其中反应时间越长，SiO2溶出率越大，但实验发现反应时间达到90 min后，SiO2溶出率基本保持稳定。考虑到设备利用率和节能，试验中将反应时间均固定为90 min。考虑到制备的水玻璃将用于进一步制备SiO2气凝胶材料，水玻璃的模数在3.1左右为宜[10]，以加权平均值为响应值，建立数学模型，取碱硅比、NaOH浓度和反应温度3个因素在3个水平上进行优化工艺研究。试验中的3个因素：碱硅比、NaOH浓度、反应温度分别记为：X1、X2、X3，每个因素的低、中、高3个水平分别记作-1、0、1，根据前期试验将各因素水平设计如下，表2中列出了试验的各因素的各个水平和响应值。
2.3 回归拟合及方差分析
对以上各试验点响应值进行回归分析和方差分析[1113]，可以得到相关回归系数及各因素对SiO2溶出率影响的回归模型（如表4所示）及各因素影响程度（表5所示）。
2.4 响应面回归分析
根据BoxBehnken试验设计方案表，完成了15组试验，水玻璃模数采用文献[14]中方法测定，将所得数据进行效应面试验分析，以SiO2溶出率为效应值分别对各因素进行多元线性回归和二项式方程拟合。通过对数据进行分析，得出以加权平均值为响应值，3个因素（X1、X2、X3）为自变量的二次回归模型方程为：
DR=72.83+1.77X1+1.44X2+1.84X3-030X21-0.31X22+0.78X23+1.18X1X2+029X1X3+0.40X2X3
从方差分析结果可知，在本实验中，碱硅比、NaOH浓度和反应温度对加权平均值影响，对二项式方程的各项系数进行P检验，删除不显著项，方程简化为：
DR=72.83+1.77X1+1.44X2+1.84X3+118X1X2
