浅谈气凝胶在环境净化领域中的使用

原标题：浅谈气凝胶在环境净化范畴中的运用

一、前 言

图1 大气污染严峻

跟着经济加快速度进行开展，全球变温暖大气污染、水污染等环境问题日趋严峻，对生态系统和人类生计与健康构成了严峻威胁。针对温室气体、挥发性有机化合物（VOCs）、硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）等大气污染物的排放操控以及水体净化等环境问题，现阶段现已开展了吸附法、吸收法、膜别离法、生物法、等离子体法、光催化法、焚烧法等多种净化技能。其间，吸附法具有本钱较低、适用规模广、运用简洁、无二次污染且吸附剂可循环运用等长处，在环境净化范畴得到了广泛运用。作为吸附技能的中心，高功用吸附资料的开发一直是该范畴的研讨热门。

图2 世界上最轻的固体气凝胶

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子彼此集合构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充溢气态分散介质的一种多孔固体资料。气凝胶具有适当高的比外表积、超高的孔隙率、可调控的敞开孔隙结构、易于化学润饰的外表以及多样化的品种和形状，在气体吸附净化、水体净化等环境净化范畴展现出宽广的运用远景。

今日，咱们就来简略聊一聊气凝胶在环境净化范畴中的运用。

二、气凝胶的结构特色

关于多孔吸附资料而言，比外表积、孔隙结构以及外表化学性质是影响其吸附功用的关键因素。气凝胶具有三维接连纳米多孔网络结构，孔隙率可高达99.8%，其间SiO2气凝胶和活化后碳气凝胶的比外表积别离可达约1000 m2/g､3300 m2/g，高孔隙率和比外表积供给了很多外表活性吸附位点，使其具有十分好的吸附功用，是活性炭吸附才能的6倍。此外，气凝胶敞开连通的孔隙结构有利于气体分散活动，使气体分子易于与吸附位点接触。因此，无论是在气体吸附净化仍是水体净化中，气凝胶都扮演着重要的人物。

有必要留意一下的是，仅依托气凝胶本身网络结构对气体进行物理吸附，吸附量有限，吸附选择性不高，在实践运用中共存气体组分的竞赛吸附往往对方针气体的吸附发作晦气影响。因此，近年来的研讨工作大多会集在对气凝胶进行润饰改性以进步其对方针气体的吸附量和／或选择性。

图3 气凝胶在工业污染处理中的运用

在CO2吸附方面，关于SiO2气凝胶以及SiC气凝胶、石墨烯气凝胶等新式气凝胶，现在首要经过氨基功用化、氮掺杂等办法引进碱性活性中心，依托特异性化学吸附一起进步气凝胶对CO2的吸附量和选择性；而关于碳气凝胶则可经过活化进一步进步其比外表积，并一起引进对CO2吸附起到关键效果的微孔和超微孔以完成高效吸附。在VOCs吸附净化方面，依托物理吸附的首要问题是需求战胜水分子的竞赛吸附效果，其研讨首要会集在经过引进非极性有机官能团对气凝胶进行疏水改性；而金属氧化物气凝胶和新式生物质基气凝胶运用本身共同的活性中心，往往能够对VOCs进行化学吸附然后到达高效净化VOCs的意图。

三、气凝胶在环境净化中的运用

气凝胶在环境净化范畴中的运用首要体现在气体吸附净化和水体净化两个方面。

现在针对环境净化研讨报导最多的首要是SiO2气凝胶和碳气凝胶。此外，近年来对金属氧化物气凝胶以及新式SiC气凝胶、石墨烯气凝胶和生物质基气凝胶在环境净化中的运用也有相关报导。

1.SiO2气凝胶

图4 SiO2气凝胶毡

SiO2气凝胶作为吸附资料具有吸附效率高、脱附便利、本身功用安稳等长处，是研讨最多、最为老练的气凝胶资料，最早被运用到气体吸附净化范畴。经过对SiO2气凝胶进行氨基功用化或疏水改性，能够进一步进步其对CO2或VOCs的吸附功用。改性后的SiO2气凝胶在枯燥、湿润条件下对10％（体积分数）CO2的吸附量别离可达1.95 mmol/g和6.97 mmol/g。

因为水分子的竞赛吸附，活性炭、硅胶等传统物理吸附类资料在湿润环境下对VOCs的吸附功用会显着下降。而疏水SiO2气凝胶，可有用按捺水分子的竞赛吸附，进步资料在湿润环境下对方针有机气体的选择性。疏水SiO2气凝胶关于苯、甲苯、四氯化碳等几种VOCs的吸附量均远大于传统吸附剂活性炭以及活性炭纤维，而关于水蒸气的吸附量(0.12g/100g)比较于亲水SiO2气凝胶(6g/100g)显着下降。其吸附机理如下：（1）有机蒸气分散进入气凝胶孔道并被吸附在孔道内；（2）吸附进程放热，低热导率使热量被保留在气凝胶颗粒中；（3）气凝胶颗粒内温度上升，下降了有机物的平衡吸附量；（4）热量缓慢开释，气凝胶颗粒温度下降使平衡吸附速率添加，吸附进程持续。

图5 SiO2气凝胶在水体净化中的运用

SiO2气凝胶也可用于水体净化和油污吸附，能够快速、很多地吸收水中的硝基苯、油污、苯酚及一些挥发性有毒污染物，对亚甲基蓝等染料类吸附质具有高达98%以上的去除效果，在海洋净化、石油化学工业水体污染等范畴有着较为广泛运用。

2.碳气凝胶

图6 碳气凝胶

碳气凝胶作为一种新式纳米级多孔碳资料，具有孔隙率高、比外表大、密度规模广等特色。碳气凝胶具有高于SiO2气凝胶的比外表积和孔体积，是另一大类气凝胶吸附资料。除选用相似SiO2气凝胶的润饰改性办法外，碳气凝胶还可经过活化进一步增大比外表积，改进孔隙结构和外表化学性质，然后有用进步其对CO2、VOCs的吸附功用。

碳气凝胶常用于除掉水中的有害金属和有机物，如Hg2+、Pb2+、硝基苯、硝基苯酚等。一般是将必定结构的碳气凝胶装塔，让需求处理的水从中流过，水中的金属杂质就会吸附在气凝胶上。此外，碳气凝胶还可用作电吸赞同电催化氧化技能处理废水中的电极。

3.金属氧化物气凝胶

金属氧化物气凝胶丰厚的外表活性位点如金属中心、活性羟基等使其具有共同的吸附性 质，往往能够发作化学吸附，具有较高的吸附量和选择性。如MgO-Al2O3气凝胶，外表存在三种不同强度的碱性吸附位点，对乙醛、丙酮等九种典型VOCs均有杰出的吸附功用，饱满吸附量远大于活性炭，而且VOCs在纳米晶外表发作了多分子层解离吸附。

4.功用性纤维素气凝胶

功用性纤维素气凝胶一般经过临界枯燥或许冷冻枯燥制备出来，具有极高的比外表积和孔隙率，不只具有传统气凝胶的特色，一起融入了本身杰出的生物相容性、可降解、环境友好等特征，在吸附CO2、甲醛等气体，以及去除废水中的重金属离子、有机染料、有机溶剂和油污水等方面具有天然的优势。

图7 纤维素气凝胶对油类和有机溶剂的吸附(a：植物油；b：环己烷；c：氯仿)

5.SiC气凝胶

图8 SiC气凝胶

SiC气凝胶一般由有机-SiO2复合气凝胶前驱体经高温炭化及碳热复原反响制备。SiC气凝胶可作为有用安定的载体，用于制备氨基功用化的CO2吸附资料。氨基功用化的块状SiC气凝胶，其在不同的温度（25~75 ℃）下对1%（体积分数）CO2的吸附量简直相同，枯燥条件下约为1.8 mmol/g。运用后的块状SiC气凝胶经简略的别离、热处理和再次氨基功用化后可恢复吸附活性，且其CO2吸附功用经至少12次重复运用后仍没有显着下降，由此可知，SiC气凝胶具有优异的重复运用功用，可显着下降运用本钱。

6.石墨烯气凝胶

图9 石墨烯气凝胶

石墨烯片层相互堆叠能够构成具有三维多孔网络结构的石墨烯气凝胶，其既兼具石墨烯电子传输速率快、外表含氧基团丰厚和气凝胶比外表积大、孔隙率高的特色，又易于进一步润饰改性。石墨烯气凝胶对CO2､SO2具有较高的吸附量和较快的吸附速率，其对CO2的最大吸附量为2.38 mmol/g(1000kPa)，对SO2的最大吸附量为2.19mmol/g，在5min内即可到达吸附平衡。

图10 大气污染、水污染对环境的损伤

四、总 结

气凝胶具有超高的孔隙率、敞开连通的介孔孔隙以及较高的热安稳性，因此具有十分杰出的吸附才能和再生性，并可经过氨基功用化、疏水改性、活化等手法进一步进步其在环境净化中的吸附功用，远景宽广。现在关于气凝胶在环境净化方面的研讨已获得较大发展，未来应持续加强气凝胶在检测技能和处理办法上的研讨，根据我国环境中存在的污染物质的详细情况对其变革立异，充沛的发挥气凝胶在环境净化范畴中的效果。

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