納米多孔SiO-,2-氣凝膠的常壓制備及其吸附特性研究.pdf

1、吸附材料在空氣凈化、污水處理、化工提純、醫(yī)藥過(guò)濾、海水淡化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。SiO2氣凝膠由納米顆粒骨架構(gòu)成，擁有高通透性的圓筒形多分枝孔和納米骨架組成的三維空間納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氣凝膠孔洞率最高可達(dá)99％，并且這些孔洞尺度僅為幾十納米，形成了巨大的比表面積，非常有利于對(duì)有害物質(zhì)的吸附，是具有廣泛應(yīng)用前景的一類(lèi)吸附材料。近年來(lái)隨著溶膠-凝膠技術(shù)，特別是常壓干燥技術(shù)的發(fā)展，避免了昂貴繁瑣的超臨界干燥過(guò)程，氣凝膠的制備成本大幅下

2、降，使得大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用SiO2氣凝膠成為可能。本論文采用工業(yè)化原料多聚硅氧烷E-40為硅源，結(jié)合常壓干燥和表面修飾工藝獲得疏水、親水特性可調(diào)的納米多孔SiO2氣凝膠。通過(guò)SiO2氣凝膠與其他纖維材料復(fù)合，獲得性能優(yōu)異的氣凝膠復(fù)合材料，并研究氣凝膠及其復(fù)合材料在空氣凈化、污水處理、吸污過(guò)濾、海岸泄漏石油回收、海水凈化等領(lǐng)域的應(yīng)用。本論文經(jīng)過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的探索，得到如下結(jié)論：總結(jié)了與本文相關(guān)的一些基礎(chǔ)理論，總結(jié)了固體-氣體吸附

3、和固體-液體吸附的幾種理論模型。研究了多孔固體的吸附行為，多孔固體吸附的吸附滯后現(xiàn)象與毛細(xì)管凝聚有關(guān)的，并對(duì)多孔固體中的吸附滯后現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。采用廉價(jià)的工業(yè)原料多聚硅(E-40)為源，采用表面修飾結(jié)合常壓干燥工藝取代超臨界干燥過(guò)程，實(shí)現(xiàn)疏水型SiO2氣凝膠的常壓干燥工藝。探索了氣凝膠微結(jié)構(gòu)與其制備工藝條件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而指導(dǎo)氣凝膠的化學(xué)剪裁。結(jié)合常壓干燥工藝獲得親水、疏水特性可調(diào)的納米多孔SiO2氣凝膠。通過(guò)添加聚氨

4、酯高聚物獲得有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合SiO2氣凝膠，并對(duì)獲得的SiO2氣凝膠性能進(jìn)行表征，以此來(lái)指導(dǎo)和優(yōu)化工藝。通過(guò)三甲基氯硅烷(TMCS)、六甲基二硅胺烷和氟代硅烷(FAS)幾種表面修飾液維持SiO2凝膠的納米多孔結(jié)構(gòu)，用各種方法表征了表面修飾前后的二氧化硅氣凝膠的表面基團(tuán)，并對(duì)溶劑替換和表面修飾的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；解決目前SiO2氣凝膠常壓干燥工藝過(guò)程中出現(xiàn)的一系列難題。研究了SiO2氣凝膠在氣相吸附中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)不同氣體的

5、吸附可了解SiO2氣凝膠的孔形狀和結(jié)構(gòu)，得出氣凝膠具有吸附不同介質(zhì)的選擇性。SiO2氣凝膠飽和吸附容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于活性碳纖維(ACF)和顆粒活性炭(GAC)。氣凝膠的飽和吸附容量和吸附質(zhì)本身的性質(zhì)有很大的關(guān)系。氣凝膠作為ICF實(shí)驗(yàn)中的低溫冷凍靶是可行性的。SiO2氣凝膠對(duì)各種蒸氣的吸附既包括物理吸附，又包括化學(xué)吸附。SiO2氣凝膠不僅脫附方便，對(duì)吸附質(zhì)脫附后的吸附容量變化也不大，為循環(huán)利用創(chuàng)造了有利的條件。通過(guò)熱壓和浸漬復(fù)合工

6、藝，制備出性能優(yōu)異的氣凝膠復(fù)合材料，經(jīng)纖維摻雜的氣凝膠的抗壓強(qiáng)度明顯高于純SiO2氣凝膠，復(fù)合纖維摻雜SiO2氣凝膠具有一定的彈性，可以輕微地彎折。氣凝膠纖維材料復(fù)合后仍具有比較好的疏水性能，接觸角為122°。研究了SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料在氣相吸附中的應(yīng)用。SiO2氣凝膠復(fù)合材料的飽和吸附容量不但與單位面積SiO2氣凝膠的克量存在正比關(guān)系，而且與SiO2氣凝膠的本身吸苯容量成正比。SiO2氣凝膠復(fù)合材料的飽和吸苯容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)

7、高于活性碳無(wú)紡布、活性碳無(wú)紡氈和活性碳纖維氈。SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料在透氣性、斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率方面等都很有優(yōu)勢(shì)，透氣量較大，適合制作各種環(huán)保產(chǎn)品，并供有關(guān)單位使用。研究了SiO2氣凝膠在液相吸附中的應(yīng)用。親水型SiO2氣凝膠對(duì)染料類(lèi)吸附質(zhì)的去除效果都達(dá)到98％以上。氣凝膠吸附容量和吸附質(zhì)本身的性質(zhì)有很大的關(guān)系。SiO2氣凝膠對(duì)亞甲基藍(lán)去除效果隨著亞甲基藍(lán)濃度的增大而增大。疏水氣凝膠對(duì)亞甲基藍(lán)的去除遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)苯酚的去除

8、率。用Freundlich和deBoer-Zwikker公式對(duì)吸附等溫線擬合得非常好。吸附質(zhì)在氣凝膠中的吸附均為多分子層吸附。再生后的氣凝膠對(duì)染料類(lèi)吸附質(zhì)的去除效果都在98％以上，吸附效果仍然很好。初步研究了疏水氣凝膠的吸油性能。疏水SiO2氣凝膠對(duì)機(jī)油的吸附能力是氣凝膠本身重量的15-25倍，而且我們發(fā)現(xiàn)疏水SiO2氣凝膠以顆粒狀形式比粉體形式有更好的吸附能力，是氣凝膠本身重量的20-30倍，和其他吸附材料相比，我們常壓