隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，全球變暖和大氣污染、水污染等環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)生存與健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。針對(duì)溫室氣體、揮發(fā)性有機(jī)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(wèn)題，現(xiàn)階段已經(jīng)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(shù)。其中，吸附法具有成本較低、適用范圍廣、使用簡(jiǎn)便、無(wú)二次污染且吸附劑可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境凈化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。作為吸附技術(shù)的核心，高性能吸附材料的開(kāi)發(fā)一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿(mǎn)氣態(tài)分散介質(zhì)的一種多孔固體材料。氣凝膠具有相當(dāng)高的比表面積、超高的孔隙率、可調(diào)控的開(kāi)放孔隙結(jié)構(gòu)、易于化學(xué)修飾的表面以及多樣化的種類(lèi)和形態(tài)，在氣體吸附凈化、水體凈化等環(huán)境凈化領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
今天，我們就來(lái)簡(jiǎn)單聊一聊氣凝膠在環(huán)境凈化領(lǐng)域中的應(yīng)用。
二、氣凝膠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
對(duì)于多孔吸附材料而言，比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)以及表面化學(xué)性質(zhì)是影響其吸附性能的關(guān)鍵因素。氣凝膠具有三維連續(xù)納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙率可高達(dá)99.8%，其中SiO2氣凝膠和活化后碳?xì)饽z的比表面積分別可達(dá)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(diǎn)，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(kāi)放連通的孔隙結(jié)構(gòu)有利于氣體擴(kuò)散流動(dòng)，使氣體分子易于與吸附位點(diǎn)接觸。因此，無(wú)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)氣體進(jìn)行物理吸附，吸附量有限，吸附選擇性不高，在實(shí)際應(yīng)用中共存氣體組分的競(jìng)爭(zhēng)吸附往往對(duì)目標(biāo)氣體的吸附產(chǎn)生不利影響。因此，近年來(lái)的研究工作大多集中在對(duì)氣凝膠進(jìn)行修飾改性以提升其對(duì)目標(biāo)氣體的吸附量和／或選擇性。
在CO2吸附方面，對(duì)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(guò)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(xué)吸附同時(shí)提高氣凝膠對(duì)CO2的吸附量和選擇性；而對(duì)于碳?xì)饽z則可通過(guò)活化進(jìn)一步提升其比表面積，并同時(shí)引入對(duì)CO2吸附起到關(guān)鍵作用的微孔和超微孔以實(shí)現(xiàn)高效吸附。在VOCs吸附凈化方面，依靠物理吸附的主要問(wèn)題是需要克服水分子的競(jìng)爭(zhēng)吸附作用，其研究主要集中在通過(guò)引入非極性有機(jī)官能團(tuán)對(duì)氣凝膠進(jìn)行疏水改性；而金屬氧化物氣凝膠和新型生物質(zhì)基氣凝膠利用自身獨(dú)特的活性中心，往往能夠?qū)OCs進(jìn)行化學(xué)吸附從而達(dá)到高效凈化VOCs的目的。
三、氣凝膠在環(huán)境凈化中的應(yīng)用
氣凝膠在環(huán)境凈化領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在氣體吸附凈化和水體凈化兩個(gè)方面。
目前針對(duì)環(huán)境凈化研究報(bào)道最多的主要是SiO2氣凝膠和碳?xì)饽z。此外，近年來(lái)對(duì)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(zhì)基氣凝膠在環(huán)境凈化中的應(yīng)用也有相關(guān)報(bào)道。
1.SiO2氣凝膠
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(diǎn)，是研究最多、最為成熟的氣凝膠材料，最先被應(yīng)用到氣體吸附凈化領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)SiO2氣凝膠進(jìn)行氨基功能化或疏水改性，可以進(jìn)一步提升其對(duì)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(duì)10％（體積分?jǐn)?shù)）CO2的吸附量分別可達(dá)1.95 mmol/g和6.97 mmol/g。
由于水分子的競(jìng)爭(zhēng)吸附，活性炭、硅膠等傳統(tǒng)物理吸附類(lèi)材料在潮濕環(huán)境下對(duì)VOCs的吸附性能會(huì)顯著降低。而疏水SiO2氣凝膠，可有效抑制水分子的競(jìng)爭(zhēng)吸附，提高材料在潮濕環(huán)境下對(duì)目標(biāo)有機(jī)氣體的選擇性。疏水SiO2氣凝膠對(duì)于苯、甲苯、四氯化碳等幾種VOCs的吸附量均遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)吸附劑活性炭以及活性炭纖維，而對(duì)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(jī)理如下：
（1）有機(jī)蒸氣擴(kuò)散進(jìn)入氣凝膠孔道并被吸附在孔道內(nèi)；
（2）吸附過(guò)程放熱，低熱導(dǎo)率使熱量被保留在氣凝膠顆粒中；
（3）氣凝膠顆粒內(nèi)溫度上升，降低了有機(jī)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(guò)程繼續(xù)。
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(duì)亞甲基藍(lán)等染料類(lèi)吸附質(zhì)具有高達(dá)98%以上的去除效果，在海洋凈化、石油化工水體污染等領(lǐng)域有著較為廣泛應(yīng)用。
2.碳?xì)饽z
碳?xì)饽z作為一種新型納米級(jí)多孔碳材料，具有孔隙率高、比表面大、密度范圍廣等特點(diǎn)。碳?xì)饽z具有高于SiO2氣凝膠的比表面積和孔體積，是另一大類(lèi)氣凝膠吸附材料。除采用類(lèi)似SiO2氣凝膠的修飾改性方法外，碳?xì)饽z還可通過(guò)活化進(jìn)一步增大比表面積，改善孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)，從而有效提升其對(duì)CO2、VOCs的吸附性能。
碳?xì)饽z常用于除去水中的有害金屬和有機(jī)物，如Hg2+、Pb2+、硝基苯、硝基苯酚等。一般是將一定結(jié)構(gòu)的碳?xì)饽z裝塔，讓需要處理的水從中流過(guò)，水中的金屬雜質(zhì)就會(huì)吸附在氣凝膠上。此外，碳?xì)饽z還可用作電吸附和電催化氧化技術(shù)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(diǎn)如金屬中心、活性羥基等使其具有獨(dú)特的吸附性 質(zhì)，往往能夠發(fā)生化學(xué)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(qiáng)度的堿性吸附位點(diǎn)，對(duì)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(yuǎn)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(guò)臨界干燥或者冷凍干燥制備出來(lái)，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(diǎn)，同時(shí)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(jī)染料、有機(jī)溶劑和油污水等方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。
5.SiC氣凝膠
SiC氣凝膠通常由有機(jī)-SiO2復(fù)合氣凝膠前驅(qū)體經(jīng)高溫炭化及碳熱還原反應(yīng)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(duì)1%（體積分?jǐn)?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(jīng)簡(jiǎn)單的分離、熱處理和再次氨基功能化后可恢復(fù)吸附活性，且其CO2吸附性能經(jīng)至少12次重復(fù)使用后仍沒(méi)有明顯降低，由此可知，SiC氣凝膠具有優(yōu)異的重復(fù)使用性能，可顯著降低使用成本。
6.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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(tuán)豐富和氣凝膠比表面積大、孔隙率高的特點(diǎn)，又易于進(jìn)一步修飾改性。石墨烯氣凝膠對(duì)CO2?SO2具有較高的吸附量和較快的吸附速率，其對(duì)CO2的最大吸附量為2.38 mmol/g(1000kPa)，對(duì)SO2的最大吸附量為2.19mmol/g，在5min內(nèi)即可達(dá)到吸附平衡。
總 結(jié)
氣凝膠具有超高的孔隙率、開(kāi)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(guò)氨基功能化、疏水改性、活化等手段進(jìn)一步提升其在環(huán)境凈化中的吸附性能，前景廣闊。目前關(guān)于氣凝膠在環(huán)境凈化方面的研究已取得較大進(jìn)展，未來(lái)應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)氣凝膠在檢測(cè)技術(shù)和處理方法上的研究，基于我國(guó)環(huán)境中存在的污染物質(zhì)的具體情況對(duì)其改革創(chuàng)新，充分發(fā)揮氣凝膠在環(huán)境凈化領(lǐng)域中的作用。
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