1.本发明涉及一种制备二氧化硅气凝胶的方法，具体涉及一种以城市焚烧垃圾灰为原料常压干燥制备气凝胶的方法。
背景技术：
2.随着我国经济的发展，人口急剧的增加、城镇规模的不断扩大和人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾的产量也在快速增长。传统的生活垃圾埋填法已不适应环保的要求，城市生活垃圾焚烧处理由于具有占地少、场地选择易、处理时间短、减量化显著、无害化较彻底以及可回收垃圾焚烧余热发电等优点已经成为不少城市解决垃圾问题的首要方案。但是，生活垃圾焚烧后，会产生约占垃圾焚烧前总质量20％的焚烧灰渣，大量灰渣的产生，带来了处置的困难，故应将焚烧垃圾灰资源化，变废为宝，实现生活垃圾焚烧的绿色发展。而在对城市焚烧垃圾灰的组成进行分析后发现，其含有大量的氧化硅。
3.二氧化硅气凝胶是一种孔隙中充满气态分散介质的高分散固态材料，具有由二氧化硅胶体粒子或高聚物分子相互聚合成的纳米多孔网络结构，其密度低至3～500kg/m3，孔隙率高达85～99.8％，比表面积高达500～1200m2/g。另外，其具有较低的导热系数，常温下的导热系数可低至0.01～0.03w/(m
·
k)，并具有透光性好、介电常数低及吸音性能好等特点。由于其具有众多独特的性能，二氧化硅气凝胶在干燥介质、绝热材料、催化剂载体、吸附剂、光引导器、宇宙尘埃搜集器、集成电路的绝缘体和建筑节能等领域中备受关注。
4.二氧化硅气凝胶通常是由有机硅烷为硅源，采用超临界干燥技术制备而成。但是有机硅烷不仅价格昂贵，而且有毒害性，同时超临界干燥设备昂贵，工艺复杂，阻碍了二氧化硅气凝胶的推广应用。
技术实现要素：
5.本发明的目的是提供一种以城市焚烧垃圾灰为原料常压干燥制备气凝胶的方法，利用城市焚烧垃圾灰为原料制备二氧化硅气凝胶，既解决了城市焚烧垃圾灰的处理问题，又解决了二氧化硅气凝胶的原料来源。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种以城市焚烧垃圾灰为原料常压干燥制备气凝胶的方法，包括以下步骤：
7.(1)将城市焚烧垃圾灰与氢氧化钠溶液混合，加热煮沸并持续搅拌，过滤后得到硅酸钠溶液；
8.(2)将所得的硅酸钠溶液通过强酸型阳离子交换树脂，得到硅酸溶液；
9.(3)用氨水调节硅酸溶液的ph以生成凝胶，并进行老化；
10.(4)老化后的湿凝胶用无水乙醇进行溶液置换；
11.(5)用三甲基氯硅烷溶液进行表面改性；
12.(6)改性后的湿凝胶常压干燥处理后得到二氧化硅气凝胶。
13.所述的强酸型阳离子交换树脂包括主要含有强酸性的反应基如磺酸基(
‑
so3h)，
能够交换溶液中所有的杂质阳离子。
14.城市焚烧垃圾灰具有活性硅质结构含量高、有害杂质离子少等特点，本发明先使用氢氧化钠溶液在煮沸的条件下将城市垃圾中的硅质结构进行有效溶出，通过强酸型阳离子交换树脂置换溶液中所有的杂质阳离子，可实现硅质结构的提纯，制得硅酸溶液。
15.使用三甲基氯硅烷溶液对凝胶表面进行改性，可提高气凝胶的疏水性，实现气凝胶在常压条件下的干燥。
16.优选地，步骤(1)所述的城市焚烧垃圾灰中二氧化硅含量＞60％。
17.优选地，步骤(1)所述的氢氧化钠溶液浓度为2mol/l，城市焚烧垃圾灰与氢氧化钠溶液质量比为1:3～1:5。
18.优选地，步骤(1)所述的加热煮沸并持续搅拌时间为1.5～3.5h。
19.优选地，步骤(2)所述的硅酸溶液ph＝1～2，实现硅酸溶液的溶胶化处理。
20.优选地，步骤(3)所述的氨水浓度为1mol/l，溶液调节至ph＝4～5，使得溶胶粒子开始凝胶。
21.优选地，步骤(3)所述的老化过程在母液中进行，老化时间为1～2d。老化过程可实现气凝胶骨架的强化。
22.优选地，步骤(4)所述的无水乙醇溶液置换时间为1～2d。置换过程可降低气凝胶骨架中水的含量。
23.优选地，步骤(5)所述的三甲基氯硅烷溶液由三甲基氯硅烷和正己烷制得，三甲基氯硅烷和正己烷摩尔比为3:2～3:4，改性时间为1～2d。使用三甲基氯硅烷溶液对凝胶表面进行改性，使得气凝胶结构中亲水的羟基被疏水的甲基取代，为气凝胶常压干燥提供便利。
24.优选地，步骤(6)所述的常压干燥为60℃、80℃和120℃下分别干燥2h。本发明采用阶段性干燥，可防止气凝胶因同一干燥温度而导致大的骨架收缩，保证气凝胶的完整性。
25.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
26.1.本发明提供一种以城市焚烧垃圾灰为原料常压干燥制备气凝胶的方法，利用城市焚烧垃圾灰为原料制备二氧化硅气凝胶，既解决了城市焚烧垃圾灰的处理问题，又解决了二氧化硅气凝胶的原料来源；
27.2.本发明利用常压干燥技术制备二氧化硅气凝胶，设备价格低廉，工艺简单，极大降低了生产成本；
28.3.本发明制得的二氧化硅气凝胶性能优良，孔隙率90～97％，导热系数0.015～0.020w/(m
·
k)，可用于建筑、水处理、化工催化等领域；
29.4.本发明制得的二氧化硅气凝胶成本低、孔结构合理、保温隔热性能优良，并且有较高的废弃物利用率；
30.5.本发明以城市焚烧垃圾灰为硅源，制备纳米二氧化硅气凝胶，不仅减少了城市焚烧垃圾灰对环境的污染，并且有效降低了纳米二氧化硅气凝胶的生产成本，具有良好的经济和环境效益；
31.6.本发明利用廉价的城市焚烧垃圾灰原料，通过简化工艺流程，降低生产成本，实现低成本纳米二氧化硅气凝胶的制备。
具体实施方式
32.下面对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
33.实施例1
34.一种以城市焚烧垃圾灰为原料常压干燥制备气凝胶的方法，包括以下步骤：
35.(1)将城市焚烧垃圾灰与2mol/l的氢氧化钠溶液混合，城市焚烧垃圾灰与氢氧化钠质量比为1:3，加热煮沸并持续搅拌1.5h，过滤后得到硅酸钠溶液；
36.(2)将所得的硅酸钠溶液通过强酸型阳离子交换树脂，得到ph＝1的硅酸溶液；
37.(3)用浓度为1mol/l的氨水调节ph至4生成凝胶，并在母液中进行老化，老化时间为1d；
38.(4)老化后的湿凝胶用无水乙醇进行溶液置换1d；
39.(5)用三甲基氯硅烷、正己烷摩尔比为3:4的三甲基氯硅烷溶液进行表面改性，改性1d；
40.(6)改性后的湿凝胶在温度为60℃、80℃和120℃下分别常压干燥2h后得到二氧化硅气凝胶。
41.经实验测量，制得的二氧化硅气凝胶孔隙率90％，导热系数0.020w/(m
·
k)。
42.实施例2
43.一种以城市焚烧垃圾灰为原料常压干燥制备气凝胶的方法，包括以下步骤：
44.(1)将城市焚烧垃圾灰与2mol/l的氢氧化钠溶液混合，城市焚烧垃圾灰与氢氧化钠质量比为1:3，加热煮沸并持续搅拌2h，过滤后得到硅酸钠溶液；
45.(2)将所得的硅酸钠溶液通过强酸型阳离子交换树脂，得到ph＝1的硅酸溶液；
46.(3)用浓度为1mol/l的氨水调节ph至4生成凝胶，并在母液中进行老化，老化时间为1d；
47.(4)老化后的湿凝胶用无水乙醇进行溶液置换1d；
48.(5)用三甲基氯硅烷、正己烷摩尔比为3:2的三甲基氯硅烷溶液进行表面改性，改性1d；
49.(6)改性后的湿凝胶在温度为60℃、80℃和120℃下分别常压干燥2h后得到二氧化硅气凝胶。
50.经实验测量，制得的二氧化硅气凝胶孔隙率92％，导热系数0.018w/(m
·
k)。
51.实施例3
52.一种以城市焚烧垃圾灰为原料常压干燥制备气凝胶的方法，包括以下步骤：
53.(1)将城市焚烧垃圾灰与2mol/l的氢氧化钠溶液混合，城市焚烧垃圾灰与氢氧化钠质量比为1:4，加热煮沸并持续搅拌2.5h，过滤后得到硅酸钠溶液；
54.(2)将所得的硅酸钠溶液通过强酸型阳离子交换树脂，得到ph＝1的硅酸溶液；
55.(3)用浓度为1mol/l的氨水调节ph至4生成凝胶，并在母液中进行老化，老化时间为1d；
56.(4)老化后的湿凝胶用无水乙醇进行溶液置换1d；
57.(5)用三甲基氯硅烷、正己烷摩尔比为3:3的三甲基氯硅烷溶液进行表面改性，改
性1d；
58.(6)改性后的湿凝胶在温度为60℃、80℃和120℃下分别常压干燥2h后得到二氧化硅气凝胶。
59.经实验测量，制得的二氧化硅气凝胶孔隙率93％，导热系数0.017w/(m
·
k)。
60.实施例4
61.(1)将城市焚烧垃圾灰与2mol/l的氢氧化钠溶液混合，城市焚烧垃圾灰与氢氧化钠质量比为1:5，加热煮沸并持续搅拌3h，过滤后得到硅酸钠溶液；
62.(2)将所得的硅酸钠溶液通过强酸型阳离子交换树脂，得到ph＝1的硅酸溶液；
63.(3)用浓度为1mol/l的氨水调节ph至5生成凝胶，并在母液中进行老化，老化时间为1d；
64.(4)老化后的湿凝胶用无水乙醇进行溶液置换1d；
65.(5)用三甲基氯硅烷、正己烷摩尔比为3:4的三甲基氯硅烷溶液进行表面改性，改性1d；
66.(6)改性后的湿凝胶在温度为60℃、80℃和120℃下分别常压干燥2h后得到二氧化硅气凝胶。
67.经实验测量，制得的二氧化硅气凝胶孔隙率95％，导热系数0.016w/(m
·
k)。
68.实施例5
69.(1)将城市焚烧垃圾灰与2mol/l的氢氧化钠溶液混合，城市焚烧垃圾灰与氢氧化钠质量比为1:5，加热煮沸并持续搅拌3.5h，过滤后得到硅酸钠溶液；
70.(2)将所得的硅酸钠溶液通过强酸型阳离子交换树脂，得到ph＝2的硅酸溶液；
71.(3)用浓度为1mol/l的氨水调节ph至5生成凝胶，并在母液中进行老化，老化时间为1d；
72.(4)老化后的湿凝胶用无水乙醇进行溶液置换2d；
73.(5)用三甲基氯硅烷、正己烷摩尔比为3:2的三甲基氯硅烷溶液进行表面改性，改性2d；
74.(6)改性后的湿凝胶在温度为60℃、80℃和120℃下分别常压干燥2h后得到二氧化硅气凝胶。
75.经实验测量，制得的二氧化硅气凝胶孔隙率97％，导热系数0.015w/(m
·
k)。
76.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。