淺談氣凝膠在環境凈化領域中的應用

淺談氣凝膠在環境凈化領域中的應用
圖1 大氣污染嚴重

隨著經濟快速發展,全球變暖和大氣污染、水污染等環境問題日趨嚴峻,對生態系統和人類生存與健康構成瞭嚴重威脅。針對溫室氣體、揮發性有機化合物(VOCs)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)等大氣污染物的排放控制以及水體凈化等環境問題,現階段已經發展瞭吸附法、吸收法、膜分離法、生物法、等離子體法、光催化法、燃燒法等多種凈化技術。其中,吸附法具有成本較低、適用范圍廣、使用簡便、無二次污染且吸附劑可循環使用等優點,在環境凈化領域得到瞭廣泛應用。作為吸附技術的核心,高性能吸附材料的開發一直是該領域的研究熱點。

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圖2 世界上最輕的固體氣凝膠

碳氣凝膠的比表面積分別可達約1000 m2/g、3300 m2/g,高孔隙率和比表面積提供瞭大量表面活性吸附位點,使其具有很好的吸附性能,是活性炭吸附能力的6倍。此外,氣凝膠開放連通的孔隙結構有利於氣體擴散流動,使氣體分子易於與吸附位點接觸。因此,無論是在氣體吸附凈化還是水體凈化中,氣凝膠都扮演著重要的角色。

值得註意的是,僅依靠氣凝膠自身網絡結構對氣體進行物理吸附,吸附量有限,吸附選擇性不高,在實際應用中共存氣體組分的競爭吸附往往對目標氣體的吸附產生不利影響。因此,近年來的研究工作大多集中在對氣凝膠進行修飾改性以提升其對目標氣體的吸附量和/或選擇性。

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圖3 氣凝膠在工業污染處理中的應用

在CO2吸附方面,對於SiO2氣凝膠以及SiC氣凝膠、石墨烯氣凝膠等新型氣凝膠,目前主要通過氨基功能化、氮摻雜等方式引入堿性活性中心,依靠特異性化學吸附同時提高氣凝膠對CO2的吸附量和選擇性;而對於SiO2氣凝膠氈

SiO2氣凝膠作為吸附材料具有吸附效率高、脫附方便、本身性能穩定等優點,是研究最多、最為成熟的氣凝膠材料,最先被應用到氣體吸附凈化領域。通過對SiO2氣凝膠進行氨基功能化或疏水改性,可以進一步提升其對CO2或VOCs的吸附性能。改性後的SiO2氣凝膠在幹燥、潮濕條件下對10%(體積分數)CO2的吸附量分別可達1.95 mmol/g和6.97 mmol/g。

由於水分子的競爭吸附,活性炭、矽膠等傳統物理吸附類材料在潮濕環境下對VOCs的吸附性能會顯著降低。而疏水SiO2氣凝膠,可有效抑制水分子的競爭吸附,提高材料在潮濕環境下對目標有機氣體的選擇性。疏水SiO2氣凝膠對於苯、甲苯、四氯化碳等幾種VOCs的吸附量均遠大於傳統吸附劑活性炭以及活性炭纖維,而對於水蒸氣的吸附量(0.12g/100g)相比於親水SiO2氣凝膠(6g/100g)明顯降低。其吸附機理如下:

  • (1)有機蒸氣擴散進入氣凝膠孔道並被吸附在孔道內;
  • (2)吸附過程放熱,低熱導率使熱量被保留在氣凝膠顆粒中;
  • (3)氣凝膠顆粒內溫度上升,降低瞭有機物的平衡吸附量;
  • (4)熱量緩慢釋放,氣凝膠顆粒溫度下降使平衡吸附速率增加,吸附過程繼續。
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圖5 SiO2氣凝膠在水體凈化中的應用

SiO2氣凝膠也可用於水體凈化和油污吸附,能夠快速、大量地吸收水中的硝基苯、油污、苯酚及一些揮發性有毒污染物,對亞甲基藍等染料類吸附質具有高達98%以上的去除效果,在海洋凈化、石油化工水體污染等領域有著較為廣泛應用。

2.碳氣凝膠

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圖6 碳氣凝膠

碳氣凝膠作為一種新型納米級多孔碳材料,具有孔隙率高、比表面大、密度范圍廣等特點。碳氣凝膠具有高於SiO2氣凝膠的比表面積和孔體積,是另一大類氣凝膠吸附材料。除采用類似SiO2氣凝膠的修飾改性方法外,碳氣凝膠還可通過活化進一步增大比表面積,改善孔隙結構和表面化學性質,從而有效提升其對CO2、VOCs的吸附性能。

碳氣凝膠常用於除去水中的有害金屬和有機物,如Hg2+、Pb2+、硝基苯、硝基苯酚等。一般是將一定結構的碳氣凝膠裝塔,讓需要處理的水從中流過,水中的金屬雜質就會吸附在氣凝膠上。此外,碳氣凝膠還可用作電吸附和電催化氧化技術處理廢水中的電極。

3.金屬氧化物氣凝膠

金屬氧化物氣凝膠豐富的表面活性位點如金屬中心、活性羥基等使其具有獨特的吸附性 質,往往能夠發生化學吸附,具有較高的吸附量和選擇性。如MgO-Al2O3氣凝膠,表面存在三種不同強度的堿性吸附位點,對乙醛、丙酮等九種典型VOCs均有良好的吸附性能,飽和吸附量遠大於活性炭,並且VOCs在納米晶表面發生瞭多分子層解離吸附。

4.功能性纖維素氣凝膠

功能性纖維素氣凝膠通常通過臨界幹燥或者冷凍幹燥制備出來,具有極高的比表面積和孔隙率,不僅具有傳統氣凝膠的特點,同時融入瞭自身良好的生物相容性、可降解、環境友好等特征,在吸附CO2、甲醛等氣體,以及去除廢水中的重金屬離子、有機染料、有機溶劑和油污水等方面具有天然的優勢。

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圖7 纖維素氣凝膠對油類和有機溶劑的吸附(a:植物油;b:環己烷;c:氯仿)

5.SiC氣凝膠

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圖8 SiC氣凝膠

SiC氣凝膠通常由有機-SiO2復合氣凝膠前驅體經高溫炭化及碳熱還原反應制備。SiC氣凝膠可作為有效穩固的載體,用於制備氨基功能化的CO2吸附材料。

氨基功能化的塊狀SiC氣凝膠,其在不同的溫度(25~75 ℃)下對1%(體積分數)CO2的吸附量幾乎相同,幹燥條件下約為1.8 mmol/g。

使用後的塊狀SiC氣凝膠經簡單的分離、熱處理和再次氨基功能化後可恢復吸附活性,且其CO2吸附性能經至少12次重復使用後仍沒有明顯降低,由此可知,SiC氣凝膠具有優異的重復使用性能,可顯著降低使用成本。

6.石墨烯氣凝膠

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圖9 石墨烯氣凝膠

石墨烯片層互相堆疊可以形成具有三維多孔網絡結構的石墨烯氣凝膠,其既兼具石墨烯電子傳輸速率快、表面含氧基團豐富和氣凝膠比表面積大、孔隙率高的特點,又易於進一步修飾改性。石墨烯氣凝膠對CO2、SO2具有較高的吸附量和較快的吸附速率,其對CO2的最大吸附量為2.38 mmol/g(1000kPa),對SO2的最大吸附量為2.19mmol/g,在5min內即可達到吸附平衡。

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圖10 大氣污染、水污染對環境的傷害

四、總 結

氣凝膠具有超高的孔隙率、開放連通的介孔孔隙以及較高的熱穩定性,因而具有良好的吸附能力和再生性,並可通過氨基功能化、疏水改性、活化等手段進一步提升其在環境凈化中的吸附性能,前景廣闊。目前關於氣凝膠在環境凈化方面的研究已取得較大進展,未來應繼續加強氣凝膠在檢測技術和處理方法上的研究,基於我國環境中存在的污染物質的具體情況對其改革創新,充分發揮氣凝膠在環境凈化領域中的作用。

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