Персонализирани фасадни системи от Китай. Приложение на аерогелове за почистване на околната среда.

Използването на аерогелове за пречистване на околната среда е фокусирано предимно върху две области: адсорбционно пречистване на газове и пречистване на води. В момента най-задълбочено проучените аерогелови материали за пречистване на околната среда са аерогеловете на базата на силициев диоксид (SiO₂) и въглеродните аерогелове. През последните години са проведени множество изследвания и върху използването на аерогелове от метални оксиди, както и на нови видове аерогелове, като например силициево-карбидни (SiC) аерогелове, графенови аерогелове и аерогелове на базата на биомаса.

Аерогелове на базата на силициев диоксид (SiO₂)

SiO₂ аерогеловете като адсорбционни материали показват висока адсорбционна ефективност, лесна десорбция и стабилни присъщи свойства. Това са най-зрелите и широко проучени аерогелни материали и са първите, които са приложени в областта на пречистването на адсорбционни газове. Аминофункционализацията или хидрофобната модификация могат допълнително да подобрят адсорбционните свойства на SiO₂ аерогеловете за CO₂ или летливи органични съединения (ЛОС). Модифицираните SiO₂ аерогелове са способни да адсорбират до 1,95 mmol/g и 6,97 mmol/g CO₂ съответно при сухи и влажни условия, при обемна фракция на CO₂ от 10%.

Поради конкурентната адсорбция на водните молекули, традиционните физични адсорбенти като активен въглен и силикагел показват значително намаляване на адсорбционния си капацитет за летливи органични съединения (ЛОС) във влажна среда. За разлика от това, хидрофобните SiO₂ аерогелове ефективно потискат адсорбцията на вода, като по този начин увеличават селективността за целевите органични газове при условия на висока влажност. Техният адсорбционен капацитет за бензен, толуен, тетрахлорметан и други ЛОС значително надвишава този на традиционните адсорбенти като активен въглен и въглеродни влакна. Адсорбцията на водни пари обаче е само 0,12 g/100 g, значително по-ниска от тази на хидрофилните SiO₂ аерогелове (6 g/100 g).

Механизмът на адсорбция включва следните етапи:

(1) дифузия на органични пари в порите на аерогела и тяхното фиксиране върху повърхността на порите;

(2) екзотермичният характер на адсорбцията и задържането на топлина вътре в частиците на аерогела поради ниската топлопроводимост;

(3) повишаване на температурата вътре в частиците на аерогела, водещо до намаляване на равновесния адсорбционен капацитет на органичните съединения;

(4) бавно освобождаване на топлина, понижаване на температурата на частиците и увеличаване на равновесния адсорбционен капацитет, което осигурява продължаването на процеса на адсорбция.

SiO₂ аерогеловете се използват също за пречистване на вода и адсорбция на нефтени разливи. Те могат бързо и в големи количества да абсорбират нитробензен, нефтопродукти, феноли и други летливи токсични замърсители от водата, постигайки степен на отстраняване над 98% за багрила като метиленово синьо. Поради тази причина SiO₂ аерогеловете се използват широко в морската екология и за пречистване на отпадъчни води от нефтохимическата промишленост.

Въглеродни аерогелове

Въглеродните аерогелове са нов вид нанопорести въглеродни материали с висока порьозност, голяма специфична повърхност и широк диапазон от плътности. В сравнение с SiO₂ аерогеловете, те имат по-висока специфична повърхност и обем на порите, което ги прави важна категория адсорбционни аерогелови материали. В допълнение към модификацията, подобна на използваната за SiO₂ аерогеловете, въглеродните аерогелове могат да бъдат активирани, което допълнително увеличава тяхната специфична повърхност, подобрява структурата на порите им и подобрява химичните им свойства на повърхността, като по този начин значително повишава адсорбционния им капацитет за CO₂ и ЛОС.

Въглеродните аерогелове се използват широко за отстраняване на вредни метали и органични замърсители от водата, като Hg²⁺, Pb²⁺, нитробензен и нитрофеноли. Обикновено въглеродните аерогелове със специфична структура се зареждат в адсорбционни колони, през които преминава замърсена вода, а металните примеси се адсорбират върху повърхността на аерогела. Освен това, въглеродните аерогелове се използват като електроди в технологиите за електроадсорбция и електрокаталитично окисление за пречистване на отпадъчни води.

Аерогелове от метални оксиди

Аерогеловете от метални оксиди притежават голям брой повърхностно активни центрове, като метални центрове и активни хидроксилни групи, което им придава уникални адсорбционни свойства. Тези материали често проявяват химическа адсорбция, осигурявайки висок адсорбционен капацитет и селективност. Например, аерогеловете MgO–Al₂O₃ съдържат три вида първични адсорбционни центрове с различна сила на повърхността си и показват отлични адсорбционни свойства за девет типични летливи органични съединения (ЛОС), включително ацеталдехид и ацетон. Крайният им адсорбционен капацитет значително надвишава този на активния въглен, като молекулите на ЛОС претърпяват многослойна дисоциативна адсорбция върху повърхността на нанокристала.

Функционални целулозни аерогелове

Функционалните целулозни аерогелове обикновено се произвеждат чрез свръхкритично или лиофилизиране. Те се характеризират с изключително висока специфична повърхност и порьозност и, в допълнение към традиционните предимства на аерогеловете, показват добра биосъвместимост, биоразградимост и екологична безопасност. Тези свойства им дават естествени предимства при адсорбцията на CO₂, формалдехид и други газове, както и при отстраняването на тежки метални йони, органични багрила, органични разтворители и води, съдържащи масла, от отпадъчни води.

Аерогелове от силициев карбид (SiC)

SiC аерогеловете обикновено се произвеждат чрез високотемпературна карбонизация и карботермична редукция на органо-SiO₂ композитни аерогелови прекурсори. Те могат да служат като стабилни и здрави носители за производството на амин-функционализирани CO₂ адсорбенти. Амин-функционализираните монолитни SiC аерогелове показват практически идентичен CO₂ адсорбционен капацитет в температурния диапазон от 25–75°C, достигайки приблизително 1,8 mmol/g при сухи условия при обемна фракция на CO₂ от 1%. След употреба тези аерогелове могат да бъдат регенерирани чрез просто разделяне, термична обработка и многократна аминна функционализация. Техните адсорбционни свойства остават практически непроменени дори след поне 12 цикъла на многократна употреба, което демонстрира висока регенерируемост и значително намалява оперативните разходи.

Графенови аерогелове

Графеновите аерогелове се образуват чрез подреждане на графенови листове в триизмерна пореста мрежова структура. Те съчетават високи скорости на електронен трансфер и богат запас от кислородсъдържащи функционални групи в графена с голямата специфична повърхност и високата порьозност на аерогеловете и лесно се модифицират. Графеновите аерогелове се характеризират с висок адсорбционен капацитет и бърза кинетика на адсорбция за CO₂ и SO₂. Максималният адсорбционен капацитет достига 2,38 mmol/g за CO₂ (при налягане от 1000 kPa) и 2,19 mmol/g за SO₂, като адсорбционното равновесие се установява в рамките на приблизително пет минути.

Заключение

Аерогеловете притежават ултрависока порьозност, отворена и взаимосвързана мезопореста структура и висока термична стабилност, което им осигурява отличен адсорбционен капацитет и регенерационни възможности. Използвайки методи като аминова функционализация, хидрофобна модификация и активиране, тяхната ефективност при третиране на околната среда може да бъде допълнително подобрена, което открива широки перспективи за приложение. Нашата компания вече е постигнала значителен напредък в изследването на аерогелове за третиране на околната среда. В бъдеще трябва да продължим задълбочените изследвания на технологиите за откриване на замърсители и методите за третиране, адаптирайки иновациите към специфични видове замърсители, присъстващи в глобалната околна среда, и напълно реализирайки потенциала на аерогеловете за третиране на околната среда.




Jutao Environmental Technology — специалисти по аерогелови разтвори

Останете свързани с нас, за да получавате най-новите актуализации, анализи за индустрията и приложни решения в областта на аерогеловете.