基本信息
- 项目名称：
- 漂浮型硅基复合气凝胶的常压制备及其在环境保护中的应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 采用常温常压—溶剂交换—表面改性一步工艺，优化合成条件，以易控硅源为原料，加以具备不同优越性能的添加剂，通过常压干燥制备微观纳米可控的气凝胶复合材料，并将其应用于污水的深度处理，实现污染物的快速吸附和彻底降解。建立气凝胶吸附/再生的动力学模型，探讨气凝胶快速吸附过程所涉及的环境科学与环境工程的基本科学问题，为利用气凝胶综合治理水质污染奠定必要的理论和实验基础。
- 详细介绍：
- 本作品通过溶剂置换、老化、表面改性等方法，制备漂浮型硅基气凝胶及其复合材料；通过对催化剂种类、催化剂用量、反应工艺、反应条件、干燥工艺参数以及不同的改性剂和改性工艺对产品性能影响的对比分析，筛选出合适的漂浮型气凝胶常压干燥制备工艺；设计及合成多种不同的硅基复合气凝胶材料，并对其吸附性能，疏水性能，光催化性能方面进行研究，取得以下成果： 1.通过选择不同反应条件，探究制备硅基气凝胶材料的合成工艺，以水解—缩聚两步反应，探讨各项因素的影响，制备具有比较完整网络状结构的湿凝胶。对制备出的湿凝胶进行老化、溶剂交换、表面修饰改性、分级干燥等一系列处理后，常压制备出具有特殊性质的疏水型硅基气凝胶材料。 2.以聚酯纤维、聚丙烯纤维、木质素纤维、聚丙烯腈纤维为凝胶合成添加剂，在制备过程中添加不同纤维以增强SiO2气凝胶材料的强度，同时对制备出的硅基复合气凝胶材料的吸附性能进行研究。 3.以价格低廉、具备增强效应的钛基晶须材料为添加剂制备硅基复合材料，成功合成具有纳米结构、比表面积大、孔隙率高、结构牢固等特点的晶须硅基复合材料，并以染料(罗丹明-B)为模拟废水，对材料的光催化效果进行一系列的研究。 4.利用常压干燥方法合成了超疏水性SiO2和TiO2/SiO2复合气凝胶，采用多种现代分析手段对其结构进行了表征。并在自制的光催化实验装置上考察其对罗丹明B的光催化降解活性。此类光催化剂对染料模拟废水有一定的处理效果。 5.由于稀土是一类具有特殊电子结构的过渡金属元素，具有一般元素无法比拟的光谱特性。在低温条件下制备了比表面积高、具有明显可见光响应的纳米介孔铕掺杂漂浮型TiO2/SiO2光催化剂，并以罗丹明B和橙黄Ⅱ为模型反应物，考察了复合催化剂在可见光条件下光解罗丹明B和橙黄Ⅱ的活性。 6.在低温条件下制备了具有明显太阳光催化活性的稀土掺杂漂浮型TiO2/SiO2光催化剂，并以亚甲基蓝为模型反应物，考察了稀土掺杂复合催化剂在太阳光条件下光解亚甲基蓝的活性，为光催化剂的实际应用奠定基础。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计：采用常温常压—溶剂交换—表面改性一步工艺，优化合成条件，以易控硅源为原料，加以具备不同优越性能的添加剂，通过常压干燥制备系列微观结构可控的气凝胶复合材料，并应用于污水的深度处理，实现污染物快速吸附和彻底降解；建立气凝胶吸附/再生动力学模型，探讨气凝胶快速吸附过程涉及的环境科学与环境工程的基本科学问题，为利用气凝胶综合治理水质污染奠定必要的理论和实验基础。发明目的：利用可控硅源为原料制备气凝胶复合材料，通过常温常压—溶剂交换—表面改性一步工艺，以取代昂贵繁琐的超临界干燥过程。将低能耗操作制备的气凝胶复合材料应用于工业废水中有机物的吸附净化处理，实现污染物快速吸附及催化降解，减轻污染损害。基本思路：探索和利用常压干燥技术，降低气凝胶的制备成本。采用适当的方法将不同功能材料复合到硅基气凝胶中，制备易回收、可反复利用的高效吸附催化材料。创新点：以低能耗操作为主要目的，常压干燥过程替代超临界干燥过程；材料复合与气凝胶结构可控合成技术相结合，为气凝胶技术应用于工业生产开辟新途径和新思路。技术关键：气凝胶复合材料制备的方法及可控合成工艺条件；孔结构组成、表面性质、快速吸附和脱附及催化降解的工艺控制；回收、回用及吸附容量催化性能的工程控制。主要技术指标：孔隙率≥90%；纳米级孔洞(10~20nm)和三维纳米骨架颗粒(2~5nm)；比表面积400-1000m2/g；密度0.003-1.000g/cm3；硅基气凝胶材料的使用寿命＞6次，吸附能力是自身重量的100%以上。
科学性、先进性
- 本作品以易控硅源为原料，常压干燥替代超临界干燥，结合气凝胶结构可控合成技术，制备了具有比表面积大、疏水程度高、吸附能力强等优良性能的硅基复合气凝胶材料；为了提高气凝胶的催化性能及吸附容量，实现有机废水的吸附催化降解及气凝胶再生转化一体化目标，控制合成了掺杂型气凝胶复合体系；利用掺杂手段制备具有可见光响应的硅基复合光催化剂，为气凝胶技术应用于含化学污染物废水的综合治理和资源化利用开辟新途径和新思路。作品的技术特点和显著特点：以常压干燥替代超临界干燥，结合气凝胶结构可控合成技术，制备了系列具有快速吸附能力的气凝胶材料，提高了气凝胶的机械强度及吸附容量，为气凝胶技术应用开辟新途径和新思路。学科交叉特色：所申请作品涉及无机功能材料，多相催化，环境科学与工程等多学科交叉领域，将材料的结构特征与其应用于吸附光催化相关联，为气凝胶吸附及催化降解有机物的实用化研究奠定一定的理论和实验基础。经中科院上海科技咨询查新中心查新，此作品综合技术达到国内领先水平。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利授权
作品可展示的形式
- 实物、产品 现场演示 图片 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明采用适当的方法将硅基气凝胶与不同的材料进行复合，制备易回收、可回用的高效吸附催化材料。实现污染物的快速吸附，光催化降解有机物，减轻污染损害。技术特点和优势通过添加功能材料等各种手段，利用常压干燥制备出块状气凝胶及其复合材料；扩大气凝胶制备技术的应用范围，探索新的、成本低的气凝胶合成原料，优化具有规模推广的硅基复合气凝胶材料的常温常压制备方法，为实际应用奠定基础；作品适用范围适用于开阔水域（河面、湖面等）的污水处理。可推广到工业污水、河流断面污水治理等重要领域。推广前景及市场分析具有低成本、高性能、易回收等优越性能的气凝胶复合材料对水处理的良好效果，必将在工业企业的污水处理中起着至关重要的作用，使污染处理过程更加环境友好，因此在这方面进行系统的探索、研究具有重要的理论意义和现实意义。经济效益预测制备使用量小、处理成本低、降解效果显著的高效气凝胶复合材料，有助于相关流域的超标河流的污染治理和溢油等化学品的快速、彻底处理，具有显著的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 气凝胶在声阻抗耦合材料、高效高能电极、隔热保温材料、催化剂及其载体等领域有广阔的应用前景。SiO2气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互交联构成的具有空间网络结构的轻质纳米多孔材料，具有纳米结构、大比表面积(最高可达800～1000 m2/g)、高孔隙率(可高达80％～99.8％)、低密度(目前最低可达1 mg/cm3)等特点。 20世纪30年代初斯坦福大学Kistle通过水解水玻璃制得了硅基气凝胶，但因制备工艺复杂和产品纯化难而未得到发展。70年代后期，Teichner等正硅酸甲酯代替Kistle所使用的水玻璃，在超临界甲醇条件下制备出高质量的硅基气凝胶。80年代，伯克利实验室以正硅酸乙酯替代了毒性较大的正硅酸甲酯成功地制备了SiO2气凝胶。因超临界干燥工艺耗能高，危险性大，原材料和设备昂贵复杂，难以进行连续性及规模化生产。近年来，气凝胶的研究主要集中在德国、瑞典、美国、法国等欧美发达国家。Knez等人的研究表明：经过疏水改性的SiO2气凝胶对水中挥发性有毒污染物的吸附性能较高，是粒状活性炭吸附性能的15~400倍，并且在惰性气体吹脱下气凝胶可以再生，实现高效重复利用20余次。因此，气凝胶作为吸附材料脱除环境有机污染物是完全可行的，与其他吸附材料相比（如吸附棉），气凝胶不仅吸附容量大，而且可以实现重复利用，避免使用消油剂浪费溢油及二次污染问题，一步回收实现油品的深度处理。由于气凝胶连续的介孔网络有利于反应分子的流动，容易使反应分子进入具有催化活性的内表面区，因此气凝胶催化催化剂或者作为催化剂载体有助于提高催化效果。此外，以气凝胶为载体的漂浮型硅基气凝胶光催化材料不仅具有优异的吸附性能，还具有良好的光催化活性，对水杨酸、苯酚、硝基苯酚、吡啶及氰类化合物具有优异的光催化性能。在国内，气凝胶的研究最早始于同济大学波耳固体物理研究所，它率先建立了一套气凝胶制备及若干性质测量的设备，并和德国维尔兹堡大学物理所合作开展气凝胶材料的系统研究。另外北京科技大学、中科院山西煤化所等高校和科研机构也发表过相关论文。但对国内对漂浮型硅基气凝胶的研究大多处于起步阶段，同时对其开发技术对我国进行了封锁，不可能依靠进口技术来解决，也就无法将其应用到废水的污染治理中，因此高性能漂浮型硅基气凝胶复合材料的低成本、常压干燥制备技术的开发已迫在眉睫，在水处理中的应用示范研究也势在必行。
