專利名稱：納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及吸附式氣體凈化技術，特別涉及一種納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法及其應用。
背景技術：
吸附式氣體凈化技術在低品位能源利用和環(huán)境保護方面優(yōu)勢顯著而成為可持續(xù)性發(fā)展的技術之一。在吸附式氣體凈化技術中，吸附工質(zhì)是決定吸附系統(tǒng)性能的關鍵，已開發(fā)的吸附工質(zhì)及其組合多達百余種，但從吸附劑的實用性來選擇，目前用于吸附式旋轉(zhuǎn)除濕器中的吸附劑僅限于氯化鋰、硅膠和分子篩等高吸濕性物質(zhì)；氯化鋰吸濕性好，再生溫度低，但對周邊金屬設備具有腐蝕性；分子篩適合于低露點深度除濕，但再生溫度高(250℃以上)；硅膠的性能介于二者之間，既適用于常規(guī)除濕(粗孔硅膠)又適用于低露點深度除濕(細孔硅膠)，其中細孔硅膠適用于制作硅膠除濕轉(zhuǎn)芯，而制作硅膠除濕轉(zhuǎn)芯的關鍵是硅膠與無機纖維基材的有機結合；它可采用粘合劑將硅膠粉體在無機纖維基材上粘合來制作，但由于粉體與基材兩者界面作用力弱，粘附力較差，在較高溫度下(150℃以上)下反復使用，易出現(xiàn)掉粉現(xiàn)象，使硅膠轉(zhuǎn)芯性能不穩(wěn)定，同時，粘合劑的使用會部分堵塞基材及硅膠孔道，使硅膠比表面積下降，從而使吸附效率降低；亦可在無機纖維基材上采用常規(guī)硅膠制備方法讓水玻璃與酸反應，但由于受溶膠穩(wěn)定性的制約難以形成高濃度溶膠，加之無機纖維不溶于水，溶膠與纖維間接觸面小，因而在無機纖維上附著的溶膠量少，生成的硅膠少，，除濕效率低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種性能優(yōu)越，吸附量大，吸附/解吸速率快、再生溫度低的納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述納米孔徑硅膠吸附劑材料在除濕領域的應用。
本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn)本納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法包括下述步驟(1)室溫下將無機纖維紙浸漬在水玻璃中，10～24小時后取出，干燥10～24小時；(2)將沉淀劑配成水溶液浸漬上述無機纖維紙，生成的硅酸鹽沉淀沉積在無機纖維的表面及其空隙中，充分反應12～24小時；(3)將反應后的無機纖維紙晾干，再用酸液浸漬12～24小時，然后用水沖洗至pH為中性，取出晾干，采用程序升溫處理得到納米孔徑硅膠吸附劑材料。
所述水玻璃模數(shù)為2.2～3.7，水玻璃濃度為10～50％(重量百分比)；水玻璃模數(shù)的選擇以浸漬蜂窩除濕轉(zhuǎn)芯時不堵塞蜂窩孔道為前提，其濃度的選擇則以基材掛膠量盡可能多為條件，同時兼顧基材浸漬后的強度；一般水玻璃濃度越高，掛膠量越多，但基材易發(fā)脆，不利于后續(xù)處理，發(fā)明人通過反復試驗，發(fā)現(xiàn)水玻璃的模數(shù)為2.8～3.7，水玻璃重量百分比濃度為20～35％時，所得硅膠除濕轉(zhuǎn)芯具有最大吸附量。
所述沉淀劑為可溶性鈣鹽，如氯化鈣，硝酸鈣等，其濃度為5％～40％(重量百分比)；沉淀劑的濃度太低則不利于沉積，太高則沉積不均勻，會部分堵塞轉(zhuǎn)芯孔道，經(jīng)實驗證明效果較好的配比濃度為20～35％(重量百分比)。
所述酸液濃度為0.05～1.2mol/L；在選擇酸時，必須考慮酸液對轉(zhuǎn)芯的腐蝕性(如硝酸)，同時要考慮酸與硅酸鈣反應時除生成硅膠沉淀外，不能形成其它沉淀物(如磷酸)或微溶物(如硫酸)，較適宜的酸為鹽酸。而酸濃度的選擇則以水解、原位聚合保持適宜的速率為條件，濃度太高，水解、原位聚合及凝膠化速率太快，所生成的硅膠產(chǎn)物覆蓋在硅酸鈣的表面，形成阻隔層，阻止硅酸鈣與酸進一步反應；濃度太低，反應速率太慢，轉(zhuǎn)芯浸漬時間長；經(jīng)驗證其效果較好的濃度為0.3～0.8mol/L。
步驟(3)中所述程序升溫處理是先在200～300℃下緩慢升溫，并自然冷卻，反復2～3次，再緩慢升溫到500～550℃，保溫1～3小時，然后自然冷卻；采取程序升溫工藝是為了在去除轉(zhuǎn)芯中水分及揮發(fā)性雜質(zhì)，并在形成Si-O-Si網(wǎng)絡的過程中，盡可能地減小凝膠的收縮速率，避免材料內(nèi)部區(qū)域應力集中而產(chǎn)生裂紋，降低材料的脆性。
本發(fā)明通過加入沉淀劑的方法，使生成的硅酸鈣沉淀大量沉積在無機纖維的空隙及表面，然后加酸使無機纖維上的硅酸鈣緩慢水解，并原位聚合，再經(jīng)成型、燒結處理，合成出具有高吸附量，較低再生溫度的納米孔徑吸附劑材料；所制備的納米孔徑吸附劑材料可以應用于吸附式氣體除濕干燥或吸附式制冷空調(diào)中的除濕轉(zhuǎn)芯裝置中。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有如下的優(yōu)點及效果(1)吸附量大、能量消耗少；使用本納米孔徑吸附劑材料的除濕轉(zhuǎn)芯具有較低轉(zhuǎn)速，相應的轉(zhuǎn)動除濕轉(zhuǎn)芯的能量要求低、傳輸損失小；(2)吸附/解吸速率快；(3)再生溫度低；這樣可以大大地節(jié)省熱量，從節(jié)能的角度考慮，在熱源提供的熱量中有用能增大，亦即提高了涌效率；(4)節(jié)能節(jié)材；利用本發(fā)明制備的納米孔徑硅膠吸附劑材料具有較高的吸濕量和較低的工作溫度，可以減少設備體積和降低能耗，達到節(jié)能節(jié)材的目的；經(jīng)實驗證明，利用本發(fā)明方法制備的納米孔徑硅膠吸附劑材料其性能明顯優(yōu)于同類型產(chǎn)品，本納米孔徑硅膠吸附劑材料可使除濕轉(zhuǎn)芯體積縮小20％～30％、能耗降低25～35％，節(jié)材節(jié)能效果顯著。
圖1是用本發(fā)明方法制備的納米孔徑硅膠吸附劑在298K時的等溫吸附曲線。
圖2是不同吸附劑[硅膠(實施例1制備)、細孔硅膠、4A分子篩]在298K時的等溫吸附曲線圖。
圖3是298K，3.0KPa水蒸氣分壓下，硅膠吸附劑(實施例1制備)的吸附量隨時間的變化圖。
圖4是13.0KPa水蒸氣分壓下不同吸附劑解吸能力的比較圖。
圖5是實施例1制備的硅膠的孔徑分布圖。
具體實施例方式
本發(fā)明人經(jīng)過幾年的研制，有很多成功實施例。為了更好地說明本發(fā)明既增大了除濕量，改善了吸附性能，又降低了再生溫度，擴大了再生能源的使用范圍，下面列舉本發(fā)明的3個實施例，并結合附圖對其技術性能指標進行比較，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1(1)室溫下，在200L圓形塑料容器中，加入120L水，然后加入模數(shù)為3.0的水玻璃40Kg，攪拌均勻后，將無機纖維紙制成的已經(jīng)成型的蜂窩轉(zhuǎn)芯(500mm×200mm)放入其中浸漬12小時，使其充分浸潤，取出晾干，然后在60℃下低溫干燥18小時，冷卻至室溫；(2)稱取25Kg的無水氯化鈣溶解于125L的水中，將上述蜂窩轉(zhuǎn)芯浸入其中，反應12小時后取出晾干，再置于烘箱中于60℃低溫干燥24小時，冷卻至室溫；(3)量取10L的工業(yè)濃鹽酸稀釋到160L，將上述蜂窩轉(zhuǎn)芯浸入其中，20小時后取出用水沖洗至pH為中性，晾干后在40℃恒溫干燥箱中干燥24小時，然后將轉(zhuǎn)芯放置在智能恒溫燒結爐中，先在200～300℃下緩慢升溫，并自然冷卻，反復2～3次，再緩慢升溫到500～550℃，保溫1～3小時，然后自然冷卻到室溫得到含納米孔徑硅膠吸附劑的除濕轉(zhuǎn)芯。
實施例2(1)室溫下，在200L圓形塑料容器中，加入100L水，然后加入模數(shù)為3.0的水玻璃40Kg，攪拌均勻后，將無機纖維紙制成的已經(jīng)成型的蜂窩轉(zhuǎn)芯(500mm×200mm)放入其中浸漬12小時，使其充分浸潤，取出晾干，然后在60℃下低溫干燥18小時，冷卻至室溫；(2)稱取30Kg無水氯化鈣溶解于120L的水中，將上述蜂窩轉(zhuǎn)芯浸入其中，反應12小時后取出晾干，再置于烘箱中于60℃低溫干燥24小時，冷卻至室溫；(3)量取10L的工業(yè)濃鹽酸稀釋到160L，將上述蜂窩轉(zhuǎn)芯浸入其中，20小時后取出用水沖洗至pH為中性，晾干后40℃恒溫干燥箱中干燥24小時，然后將轉(zhuǎn)芯放置在智能恒溫燒結爐中，先在200～300℃下緩慢升溫，并自然冷卻，反復2～3次，再緩慢升溫到500～550℃，保溫1～3小時，然后自然冷卻到室溫得到含納米孔徑硅膠吸附劑的除濕轉(zhuǎn)芯。
實施例3(1)室溫下，在200L圓形塑料容器中，加入120L水，然后加入模數(shù)為3.0的水玻璃30Kg，攪拌均勻后，將無機纖維紙制成的已經(jīng)成型的蜂窩轉(zhuǎn)芯(500mm×200mm)放入其中浸漬12小時使其充分浸潤，取出晾干，然后在60℃下低溫干燥18h，冷卻至室溫；(2)稱取20Kg的無水氯化鈣溶解于140L的水中，將上述蜂窩轉(zhuǎn)芯浸入其中，12小時后取出晾干，再置于烘箱中于60℃低溫干燥24小時，冷卻至室溫；(3)量取9L的工業(yè)濃鹽酸稀釋到160L，將上述蜂窩轉(zhuǎn)芯浸入其中，20小時后取出用水沖洗至pH為中性，晾干后在40℃恒溫干燥箱中干燥24小時，然后將轉(zhuǎn)芯放置在智能恒溫燒結爐中，先在200～300℃下緩慢升溫，并自然冷卻，反復2～3次，再緩慢升溫到500～550℃，保溫1-3h，然后自然冷卻到室溫得到含納米孔徑硅膠吸附劑材料除濕轉(zhuǎn)芯。
對上述實施例所制備的吸附劑材料進行等溫吸附特性測試。圖1為按不同配比所得硅膠吸附劑在298K時的等溫吸附曲線，由圖1可以看出，采用本制備方法所得的硅膠吸附劑具有很高的吸附性能，并以采用例1所得的硅膠吸附性能較好，達65.7％；圖2是不同吸附劑等溫吸附曲線，由圖2可知，本發(fā)明制備的硅膠吸附劑的吸附性能，明顯好于同類型(細孔硅膠)、分子篩等產(chǎn)品；圖3所示為硅膠吸附量隨時間的變化，可見硅膠吸附劑在前15分鐘具有很高的吸附速率，其后吸附速率變緩；圖4為不同吸附劑解吸能力的比較，從圖4中可以看出，硅膠吸附劑的解吸能力與細孔硅膠相當，但明顯高于分子篩，這表明硅膠吸附劑具有較低的再生溫度；圖5為實施例1所得硅膠吸附劑的孔徑分布，測試結果表明，硅膠吸附劑孔徑絕大部分落在3～6nm的范圍內(nèi)，由于硅膠孔徑小，比表面積大，因而對水蒸汽具有巨大的吸附能力。
綜上所述，利用本發(fā)明方法所制備的納米孔徑硅膠吸附劑其性能參數(shù)明顯優(yōu)于同類型吸附劑，具有吸附量大，吸附/解吸速率快，再生溫度低，節(jié)能節(jié)材效果顯著等優(yōu)點，能廣泛地應用到除濕轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)制造中。
權利要求
1.一種納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟(1)室溫下將無機纖維紙浸漬在水玻璃中，10～24小時后取出，干燥10～24小時；(2)將沉淀劑配成水溶液浸漬上述無機纖維紙，充分反應12～24小時；(3)將反應后的無機纖維紙晾干，再用酸液浸漬12～24小時，然后用水沖洗至pH為中性，取出晾干，采用程序升溫處理得到納米孔徑硅膠吸附劑材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法，其特征在于所述水玻璃模數(shù)為2.2～3.7，水玻璃濃度為10～50％(重量百分比)。
3.根據(jù)權利要求1所述的納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法，其特征在于所述沉淀劑為可溶性鈣鹽，其濃度為5％～40％(重量百分比)。
4.根據(jù)權利要求3所述的納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法，其特征在于所述沉淀劑的濃度為20～35％(重量百分比)。
5.根據(jù)權利要求3所述的納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法，其特征在于所述沉淀劑為氯化鈣或硝酸鈣。
6.根據(jù)權利要求1所述的納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法，其特征在于所述酸液濃度為0.05～1.2mol/L。
7.根據(jù)權利要求6所述的納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法，其特征在于所述酸液的濃度為0.3～0.8mol/L。
8.根據(jù)權利要求1所述的納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法，其特征在于所述程序升溫處理是先在200～300℃下緩慢升溫，并自然冷卻，反復2～3次，再緩慢升溫到500～550℃，保溫1～3小時，然后自然冷卻。
9.一種納米孔徑硅膠吸附劑材料的應用，其特征在于用于制備吸附式氣體除濕干燥或吸附式制冷空調(diào)中的除濕轉(zhuǎn)芯。
全文摘要
本發(fā)明提供一種納米孔徑硅膠吸附劑材料的制備方法，包括下述步驟(1)室溫下將無機纖維紙浸漬在水玻璃中，10～24小時后取出，干燥10～24小時；(2)將沉淀劑配成水溶液浸漬上述無機纖維紙，充分反應12～24小時；(3)將反應后的無機纖維紙晾干，再用酸液浸漬12～24小時，然后用水沖洗至pH為中性，取出晾干，采用程序升溫處理得到納米孔徑硅膠吸附劑材料。本方法制備的納米孔徑硅膠吸附劑可用于制備吸附式氣體除濕干燥或吸附式制冷空調(diào)中的除濕轉(zhuǎn)芯，具有吸附量大，能量消耗少，再生溫度低，節(jié)能節(jié)材的優(yōu)點，應用前景較廣。
文檔編號B01J20/10GK1424138SQ0214971
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月24日 優(yōu)先權日2002年12月24日
發(fā)明者方玉堂, 丁靜, 楊曉西, 范娟, 楊建平 申請人:華南理工大學