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一、前 言
圖1 大氣污染嚴重
隨著經濟快速發(fā)展，全球變暖和大氣污染、水污染等環(huán)境問題日趨嚴峻，對生態(tài)系統(tǒng)和人類生存與健康構成了嚴重威脅。針對溫室氣體、揮發(fā)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(huán)境問題，現(xiàn)階段已經發(fā)展了吸附法、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(huán)使用等優(yōu)點，在環(huán)境凈化領域得到了廣泛應用。作為吸附技術的核心，高性能吸附材料的開發(fā)一直是該領域的研究熱點。
圖2 世界上最輕的固體氣凝膠
氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚集形成納米多孔網絡結構，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質的一種多孔固體材料。氣凝膠具有相當高的比表面積、超高的孔隙率、可調控的開放孔隙結構、易于化學修飾的表面以及多樣化的種類和形態(tài)，在氣體吸附凈化、水體凈化等環(huán)境凈化領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。
今天，我們就來簡單聊一聊氣凝膠在環(huán)境凈化領域中的應用。
二、氣凝膠的結構特點
對于多孔吸附材料而言，比表面積、孔隙結構以及表面化學性質是影響其吸附性能的關鍵因素。氣凝膠具有三維連續(xù)納米多孔網絡結構，孔隙率可高達99.8%，其中SiO2氣凝膠和活化后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了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于氣體擴散流動，使氣體分子易于與吸附位點接觸。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。
值得注意的是，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。
圖3 氣凝膠在工業(yè)污染處理中的應用
在CO2吸附方面，對于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;而對于碳氣凝膠則可通過活化進一步提升其比表面積，并同時引入對CO2吸附起到關鍵作用的微孔和超微孔以實現(xiàn)高效吸附。在VOCs吸附凈化方面，依靠物理吸附的主要問題是需要克服水分子的競爭吸附作用，其研究主要集中在通過引入非極性有機官能團對氣凝膠進行疏水改性;而金屬氧化物氣凝膠和新型生物質基氣凝膠利用自身獨特的活性中心，往往能夠對VOCs進行化學吸附從而達到高效凈化VOCs的目的。
三、氣凝膠在環(huán)境凈化中的應用
氣凝膠在環(huán)境凈化領域中的應用主要體現(xiàn)在氣體吸附凈化和水體凈化兩個方面。
目前針對環(huán)境凈化研究報道最多的主要是SiO2氣凝膠和碳氣凝膠。此外，近年來對金屬氧化物氣凝膠以及新型SiC氣凝膠、石墨烯氣凝膠和生物質基氣凝膠在環(huán)境凈化中的應用也有相關報道。
1.SiO2氣凝膠
圖4 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(wěn)定等優(yōu)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。改性后的SiO2氣凝膠在干燥、潮濕條件下對10%(體積分數(shù))CO2的吸附量分別可達1.95 mmol/g和6.97 mmol/g。
由于水分子的競爭吸附，活性炭、硅膠等傳統(tǒng)物理吸附類材料在潮濕環(huán)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(huán)境下對目標有機氣體的選擇性。疏水SiO2氣凝膠對于苯、甲苯、四氯化碳等幾種VOCs的吸附量均遠大于傳統(tǒng)吸附劑活性炭以及活性炭纖維，而對于水蒸氣的吸附量(0.12g/100g)相比于親水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并被吸附在孔道內;(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，降低了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(xù)。
圖5 SiO2氣凝膠在水體凈化中的應用
SiO2氣凝膠也可用于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(fā)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
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。碳氣凝膠具有高于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。
碳氣凝膠常用于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(fā)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，飽和吸附量遠大于活性炭，并且VOCs在納米晶表面發(fā)生了多分子層解離吸附。
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干燥或者冷凍干燥制備出來，具有極高的比表面積和孔隙率，不僅具有傳統(tǒng)氣凝膠的特點，同時融入了自身良好的生物相容性、可降解、環(huán)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(yōu)勢。
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(huán)己烷;c：氯仿)
5.SiC氣凝膠
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(wěn)固的載體，用于制備氨基功能化的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(shù))CO2的吸附量幾乎相同，干燥條件下約為1.8 mmol/g。使用后的塊狀SiC氣凝膠經簡單的分離、熱處理和再次氨基功能化后可恢復吸附活性，且其CO2吸附性能經至少12次重復使用后仍沒有明顯降低，由此可知，SiC氣凝膠具有優(yōu)異的重復使用性能，可顯著降低使用成本。
6.石墨烯氣凝膠
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，又易于進一步修飾改性。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。
圖10 大氣污染、水污染對環(huán)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(wěn)定性，因而具有良好的吸附能力和再生性，并可通過氨基功能化、疏水改性、活化等手段進一步提升其在環(huán)境凈化中的吸附性能，前景廣闊。目前關于氣凝膠在環(huán)境凈化方面的研究已取得較大進展，未來應繼續(xù)加強氣凝膠在檢測技術和處理方法上的研究，基于我國環(huán)境中存在的污染物質的具體情況對其改革創(chuàng)新，充分發(fā)揮氣凝膠在環(huán)境凈化領域中的作用。
淺談氣凝膠在環(huán)境凈化領域中的應用 最新評論:
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