一种块状杂化气凝胶的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新材料制备技术领域，涉及一种块状杂化气凝胶的制备方法，特指在 常压条件下快速制备出的一种块状气凝胶，并对废水中的Cd2+具有高效的去除作用。
【背景技术】
[0002] 二氧化硅气凝胶是一种低密度纳米多孔非晶态材料，具有连续无规则网络结构。 二氧化硅气凝胶独特的性质包括超高的比表面积(>1〇〇〇 m2/g)，低折射系数(<1.1)，低电 导系数(<1.7)，低热导率(~0.017 W/m· K)，低声传播系数(<100 m/s)和低密度(<100 kg/ m3)等特点。这些特点使得其可被制作成声阻抗耦合材料、过滤材料、高温隔热材料等多种 高性能材料，在切仑可夫探测器、催化剂及催化剂载体、宽带减反射、高效可充电电池、防眩 光涂层、低介电常数绝缘层、超高速集成电路基片、高激光损伤阈值增透薄膜、高效绝热涂 层等众多领域，都具有广阔的应用前景。
[0003] 运用超临界干燥制备二氧化硅气凝胶的条件苛刻，制备周期耗时长，对设备要求 高，且在高温高压的条件下，能耗大有一定的危险性，因此严重的制约了其工业化大规模生 产。常压干燥制备气凝胶具有设备简单，成本较低，可连续操作等优点，引起了科研工作者 的广泛关注。
[0004] 含镉的废水是危害最为严重的重金属废水之一。镉易在生物体内聚集，如若废水 不加以处理或处理不达标排放到自然环境中，势必会对自然环境和人类健康造成严重后 果。长期接触低浓度的镉化合物，将引起贫血，肺气肿，神经痛，骨质疏松等等疾病。含镉废 水常见的处理方式有沉淀法，离子交换法，吸附法等。其中吸附法有着操作简单，成本低廉， 无二次污染等特点。二氧化硅气凝胶有着超高的比表面积，且其性能可随着制备工艺参数 的改变而得到控制，因此二氧化硅气凝胶在处理废水中的镉离子方面有着广阔的应用前 景。
[0005] 本发明在常压条件下快速地制备出块状的二氧化硅气凝胶，且对废水中的镉离子 有着高效的移除作用。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在提供一种常压下制备出具有较好Cd2+吸附效果的块状杂化气凝胶，为 重金属离子Cd2+的吸附提供了一种新方法。
[0007] 本发明采取的技术方案如下:一种块状杂化气凝胶的制备方法，其特征在于，按照 如下步骤进行： (1) 在烧杯中量取一定量的正硅酸四乙酯、去离子水、乙腈、草酸溶液混合，搅拌均匀后 置于水浴锅内反应;取出烧杯待恢复至室温，用移液枪移取3_氨丙基三乙氧基硅烷于烧杯 中，边搅拌，边滴加;凝胶后，加入乙腈，老化； (2) 将老化过后的凝胶，用含有异氟尔酮二异氰酸酯的乙腈溶液浸泡，置于水浴锅内交 联； (3) 取出交联过的凝胶，加入乙腈，室温下静置后，用带针孔的保鲜膜封口，置于常压烘 箱内干燥，得到二氧化硅块状气凝胶。
[0008] 其中，步骤(1)中所述混合的正硅酸四乙酯、去离子水、乙腈、草酸的体 积比为4.5:2:8:0.4，其中草酸溶液的浓度为0.008mol/L;所述正硅酸四乙酯与3-氨丙 基三乙氧基硅烷的体积比为4.5 : 08-1.2;所述水浴条件为在30-60°C的水浴锅内水浴8- 15min;所述老化时间为2-5h;所述加入乙腈老化过程中加入的乙腈的量应等于或大于凝胶 的量。
[0009] 其中，步骤(2)中所述水浴条件为在30-60°C的水浴锅内24-36h;所述乙 腈溶液中异氟尔酮二异氰酸酯的质量分数为5%;所述含有异氟尔酮二异氰酸酯的乙腈 溶液的用量为等于或大于凝胶的量。
[0010] 其中，步骤(3)中所述加入乙腈的量应等于或大于凝胶的量;所述静 置时间为12_24h;所述常压烘箱内干燥的条件为50-100°C的干燥30-48h。
[0011] 本发明所述的块状杂化气凝胶用于去除废水中的Cd2+的方法如下： (1)在一定的Cd2+浓度下，调节不同的pH值，得到吸附Cd2+最佳的pH。
[0012] (2)不同的初始Cd2+浓度，用制备出的气凝胶吸附24h，得到其理论最大吸附量。 [0013]本发明的优点： (1)本发明硅源的水解在低温的水浴锅30-60°C用时8-15min，相比较传统的工艺，水 解所用时间大幅减少。
[0014] (2)本发明在常压条件下制备块状杂化气凝胶，无需溶剂交换和表面改性，耗能 低，耗时少，在整个实验中，仅在老化和异氰酸酯交联过后使用一定量的乙腈来交换掉未反 应的物质，没有使用低表面张力的溶剂交换和表面改性来降低其毛细管力，成功的制备出 了块状的杂化气凝胶，这对工业生产而言，极大的降低了其生产成本。其中使用的异氟尔酮 二异氰酸酯的质量分数较低，仅为5%，在常压烘箱内干燥的温度为50-100°C，时间为30- 48h，这同传统的超临界干燥相比耗能低，简单，安全，易操作，更加容易实现工业化。
[0015] (3)本发明制备出来的块状杂化气凝胶对废水中的重金属离子Cd2+具有高效吸附 吸附作用，没有二次污染，简单易操作，其吸附量可达到24.319mg/g. (4) 本发明制备的块状的气凝胶易于回收重复利用。
[0016] (5)现有技术中利用超临界干燥，高耗能，但具有一定的危险性，一般的常压干燥， 需要低表面张力的溶剂交换和表面改性，这耗时长，消耗大量的溶剂。本发明中采用常压干 燥，无须溶剂交换和表面改性。
【附图说明】
[0017] 图1.常压制备出的块状杂化气凝胶图； 图2.常压制备出硅基气凝胶的透射电镜图（左)和扫描电镜图（右）； 图3.常压制备出的块状杂化气凝胶的孔径分布图； 图4.常压制备出的块状杂化气凝胶的N2吸附脱附曲线，图中?为脱附曲线；为吸 附曲线； 图5.常压制备出的块状杂化气凝胶的Cd2+吸附pH的影响； 图6.块状杂化气凝胶对Cd2+的理论吸附值。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合具体的实施方式对本发明进行进一步的说明。
[0019] 实施例1:块状杂化气凝胶的制备 (1)在烧杯中量取4.5mL的正硅酸四乙酯，2mL去离子水，8mL乙腈， 0.4mL(0.008mol/L)草酸，搅拌均勾后置于50°C的水浴锅内lOmin。取出烧杯待恢复至 室温，用移液枪移取lmL的3-氨丙基三乙氧基硅烷于烧杯中，边搅拌，边滴加。几分钟后凝 胶，加入20mL乙腈，老化2个小时。
[0020] (2)将老化过后的凝胶，用30mL质量分数为5%的二异氰酸酯的乙腈溶液浸泡，置于 40°C的水浴锅内36h。
[0021] (3)取出交联过的凝胶，加入20mL乙腈，室温下静置24h后，用带针孔的保鲜膜封 口，置于60°C的烘箱内干燥36h，得到二氧