[发明专利]一种超疏水纳米材料的制备方法与应用

说明书

本发明公开一种超疏水纳米材料的制备方法，其是将钾水玻璃、结构导向剂、去离子水混合后，加热搅拌后将微硅粉分批加入到混合物中充分反应，得到硅溶胶，硅溶胶焙烧粉碎后得到纳米介孔二氧化硅；将硅烷偶联剂加入到无水乙醇中搅拌均匀，然后将纳米介孔二氧化硅加入到硅烷偶联剂‑乙醇溶液中，超声处理，室温陈化；将电石渣和铝灰焙烧后与FeS₂混合破碎，并加入到无水乙醇溶液中搅拌混匀后，在超声下加入偶联剂搅拌混匀后，加入到陈化后的溶液中，混匀后得到超疏水纳米材料；本发明材料具有较好超疏水性能，在处理污染废水中有较强的吸附性能且容易分离再回收利用，用作防水涂层，其接触角150°，滚动角10°，且对污染气体具有较强的吸附性能。

技术领域

本发明属于疏水材料与水污染处理技术领域，尤其涉及一种超疏水纳米材料的制备方法与应用。

背景技术

近年来超疏水纳米材料备受人们关注。超疏水是一种新型材料，在自然界中，许多植物叶表面、鸟禽羽毛都具有超疏水性的特点。我们将超疏水定义为材料表面稳定接触角＞150°，滚动接触角＜10°时的这类材料为超疏水材料。现如今，超疏水纳米材料因其优异的防水、防污、防腐蚀等性能已经被广泛用于油水分离领域、自清洁领域、医学领域、防覆冰领域等。目前，研究人员已经使用各种基材，如硅基、碳基、高分子基等材料来合成坚固、稳定和耐用的超疏水涂层。虽然关于超疏水材料研究已有很多报道，但大多数超疏水材料还存在原材料成本高、疏水性能差等问题无法工程化应用。

现在的纳米超疏水材料的制备中普遍存在成本高、改性剂价格昂贵，改性制剂有毒，存在污染环境的潜在风险，未达到超疏水性能要求且工艺繁琐等问题，极大的限制了其在一些行业的应用。

发明内容

针对传统疏水性材料具有防水性能差、制备成本较高、工艺繁琐，对环境具有一定污染风险等缺点，本发明提出了一种超疏水纳米材料的制备方法，该方法利用工业副产物微硅粉、电石渣、铝灰为主要原料制备超疏水纳米材料，应用于重金属污染废水的处理中，利用防水性能解决吸附材料和水难分离、二次再生困难等问题，或作为防水涂层净化污染气体，本发明可以增加工业副产物微硅粉、电石渣、铝灰的资源化利用途径，具有良好的生态效益和经济效益。

本发明超疏水纳米材料的制备方法步骤如下：

（1）将钾水玻璃、结构导向剂、去离子水混合后，在80~85℃下加热搅拌30~60min，然后将微硅粉分批加入到混合物中充分反应，得到硅溶胶，将硅溶胶置于450~550℃下焙烧4~6h，粉碎后得到纳米介孔二氧化硅；

所述钾水玻璃的添加量为微硅粉质量的20%~30%，结构导向剂为微硅粉质量的20%~30%；所述结构导向剂为十六烷基三甲基溴化铵、四乙基氢氧化铵、三乙胺中的一种或几种；

（2）将硅烷偶联剂加入到无水乙醇中搅拌均匀，然后将纳米介孔二氧化硅加入到硅烷偶联剂-乙醇溶液中，在50~60℃下超声处理30~60min，室温陈化；

硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-（2，3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种，硅烷偶联剂的添加量为介孔二氧化硅质量的40%~50%；

（3）将电石渣和铝灰在800~900℃下焙烧1~3h后与FeS₂混合破碎，并加入到无水乙醇溶液中搅拌混匀后，在超声下加入偶联剂搅拌混匀后，加入到步骤（2）陈化后的溶液中，混匀后得到超疏水纳米材料；

所述电石渣和铝灰的质量比为1:1~1.5，铝灰与FeS₂的质量比为1:1.5~2.0，电石渣、铝灰、FeS₂总质量: 偶联剂质量为1:0.5~1，电石渣添加量为介孔二氧化硅质量的12%~14%，偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷中的一种或几种。

所述微硅粉取自于硅冶炼行业，粒径为5nm~80nm，含水率为4%~6%；电石渣主要取自于能源厂，通过破碎筛分处理后粒径为20nm~30nm、含水率为2%~8%；铝灰主要取自于电解铝行业产生的二次铝灰，通过破碎筛分处理后粒径为15nm~60nm、含水率为3%~5%。