基本信息
- 項目名稱：
- 漂浮型硅基復合氣凝膠的常壓制備及其在環(huán)境保護中的應用
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 采用常溫常壓—溶劑交換—表面改性一步工藝，優(yōu)化合成條件，以易控硅源為原料，加以具備不同優(yōu)越性能的添加劑，通過常壓干燥制備微觀納米可控的氣凝膠復合材料，并將其應用于污水的深度處理，實現(xiàn)污染物的快速吸附和徹底降解。建立氣凝膠吸附/再生的動力學模型，探討氣凝膠快速吸附過程所涉及的環(huán)境科學與環(huán)境工程的基本科學問題，為利用氣凝膠綜合治理水質(zhì)污染奠定必要的理論和實驗基礎。
- 詳細介紹：
- 本作品通過溶劑置換、老化、表面改性等方法，制備漂浮型硅基氣凝膠及其復合材料；通過對催化劑種類、催化劑用量、反應工藝、反應條件、干燥工藝參數(shù)以及不同的改性劑和改性工藝對產(chǎn)品性能影響的對比分析，篩選出合適的漂浮型氣凝膠常壓干燥制備工藝；設計及合成多種不同的硅基復合氣凝膠材料，并對其吸附性能，疏水性能，光催化性能方面進行研究，取得以下成果： 1.通過選擇不同反應條件，探究制備硅基氣凝膠材料的合成工藝，以水解—縮聚兩步反應，探討各項因素的影響，制備具有比較完整網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)的濕凝膠。對制備出的濕凝膠進行老化、溶劑交換、表面修飾改性、分級干燥等一系列處理后，常壓制備出具有特殊性質(zhì)的疏水型硅基氣凝膠材料。 2.以聚酯纖維、聚丙烯纖維、木質(zhì)素纖維、聚丙烯腈纖維為凝膠合成添加劑，在制備過程中添加不同纖維以增強SiO2氣凝膠材料的強度，同時對制備出的硅基復合氣凝膠材料的吸附性能進行研究。 3.以價格低廉、具備增強效應的鈦基晶須材料為添加劑制備硅基復合材料，成功合成具有納米結(jié)構(gòu)、比表面積大、孔隙率高、結(jié)構(gòu)牢固等特點的晶須硅基復合材料，并以染料(羅丹明-B)為模擬廢水，對材料的光催化效果進行一系列的研究。 4.利用常壓干燥方法合成了超疏水性SiO2和TiO2/SiO2復合氣凝膠，采用多種現(xiàn)代分析手段對其結(jié)構(gòu)進行了表征。并在自制的光催化實驗裝置上考察其對羅丹明B的光催化降解活性。此類光催化劑對染料模擬廢水有一定的處理效果。 5.由于稀土是一類具有特殊電子結(jié)構(gòu)的過渡金屬元素，具有一般元素無法比擬的光譜特性。在低溫條件下制備了比表面積高、具有明顯可見光響應的納米介孔銪摻雜漂浮型TiO2/SiO2光催化劑，并以羅丹明B和橙黃Ⅱ為模型反應物，考察了復合催化劑在可見光條件下光解羅丹明B和橙黃Ⅱ的活性。 6.在低溫條件下制備了具有明顯太陽光催化活性的稀土摻雜漂浮型TiO2/SiO2光催化劑，并以亞甲基藍為模型反應物，考察了稀土摻雜復合催化劑在太陽光條件下光解亞甲基藍的活性，為光催化劑的實際應用奠定基礎。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 作品設計：采用常溫常壓—溶劑交換—表面改性一步工藝，優(yōu)化合成條件，以易控硅源為原料，加以具備不同優(yōu)越性能的添加劑，通過常壓干燥制備系列微觀結(jié)構(gòu)可控的氣凝膠復合材料，并應用于污水的深度處理，實現(xiàn)污染物快速吸附和徹底降解；建立氣凝膠吸附/再生動力學模型，探討氣凝膠快速吸附過程涉及的環(huán)境科學與環(huán)境工程的基本科學問題，為利用氣凝膠綜合治理水質(zhì)污染奠定必要的理論和實驗基礎。發(fā)明目的：利用可控硅源為原料制備氣凝膠復合材料，通過常溫常壓—溶劑交換—表面改性一步工藝，以取代昂貴繁瑣的超臨界干燥過程。將低能耗操作制備的氣凝膠復合材料應用于工業(yè)廢水中有機物的吸附凈化處理，實現(xiàn)污染物快速吸附及催化降解，減輕污染損害。基本思路：探索和利用常壓干燥技術(shù)，降低氣凝膠的制備成本。采用適當?shù)姆椒▽⒉煌δ懿牧蠌秃系焦杌鶜饽z中，制備易回收、可反復利用的高效吸附催化材料。創(chuàng)新點：以低能耗操作為主要目的，常壓干燥過程替代超臨界干燥過程；材料復合與氣凝膠結(jié)構(gòu)可控合成技術(shù)相結(jié)合，為氣凝膠技術(shù)應用于工業(yè)生產(chǎn)開辟新途徑和新思路。技術(shù)關(guān)鍵：氣凝膠復合材料制備的方法及可控合成工藝條件；孔結(jié)構(gòu)組成、表面性質(zhì)、快速吸附和脫附及催化降解的工藝控制；回收、回用及吸附容量催化性能的工程控制。主要技術(shù)指標：孔隙率≥90%；納米級孔洞(10~20nm)和三維納米骨架顆粒(2~5nm)；比表面積400-1000m2/g；密度0.003-1.000g/cm3；硅基氣凝膠材料的使用壽命＞6次，吸附能力是自身重量的100%以上。
科學性、先進性
- 本作品以易控硅源為原料，常壓干燥替代超臨界干燥，結(jié)合氣凝膠結(jié)構(gòu)可控合成技術(shù)，制備了具有比表面積大、疏水程度高、吸附能力強等優(yōu)良性能的硅基復合氣凝膠材料；為了提高氣凝膠的催化性能及吸附容量，實現(xiàn)有機廢水的吸附催化降解及氣凝膠再生轉(zhuǎn)化一體化目標，控制合成了摻雜型氣凝膠復合體系；利用摻雜手段制備具有可見光響應的硅基復合光催化劑，為氣凝膠技術(shù)應用于含化學污染物廢水的綜合治理和資源化利用開辟新途徑和新思路。作品的技術(shù)特點和顯著特點：以常壓干燥替代超臨界干燥，結(jié)合氣凝膠結(jié)構(gòu)可控合成技術(shù)，制備了系列具有快速吸附能力的氣凝膠材料，提高了氣凝膠的機械強度及吸附容量，為氣凝膠技術(shù)應用開辟新途徑和新思路。學科交叉特色：所申請作品涉及無機功能材料，多相催化，環(huán)境科學與工程等多學科交叉領域，將材料的結(jié)構(gòu)特征與其應用于吸附光催化相關(guān)聯(lián)，為氣凝膠吸附及催化降解有機物的實用化研究奠定一定的理論和實驗基礎。經(jīng)中科院上?？萍甲稍儾樾轮行牟樾?，此作品綜合技術(shù)達到國內(nèi)領先水平。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利授權(quán)
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品 現(xiàn)場演示 圖片 樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明采用適當?shù)姆椒▽⒐杌鶜饽z與不同的材料進行復合，制備易回收、可回用的高效吸附催化材料。實現(xiàn)污染物的快速吸附，光催化降解有機物，減輕污染損害。技術(shù)特點和優(yōu)勢通過添加功能材料等各種手段，利用常壓干燥制備出塊狀氣凝膠及其復合材料；擴大氣凝膠制備技術(shù)的應用范圍，探索新的、成本低的氣凝膠合成原料，優(yōu)化具有規(guī)模推廣的硅基復合氣凝膠材料的常溫常壓制備方法，為實際應用奠定基礎；作品適用范圍適用于開闊水域（河面、湖面等）的污水處理?？赏茝V到工業(yè)污水、河流斷面污水治理等重要領域。推廣前景及市場分析具有低成本、高性能、易回收等優(yōu)越性能的氣凝膠復合材料對水處理的良好效果，必將在工業(yè)企業(yè)的污水處理中起著至關(guān)重要的作用，使污染處理過程更加環(huán)境友好，因此在這方面進行系統(tǒng)的探索、研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。經(jīng)濟效益預測制備使用量小、處理成本低、降解效果顯著的高效氣凝膠復合材料，有助于相關(guān)流域的超標河流的污染治理和溢油等化學品的快速、徹底處理，具有顯著的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 氣凝膠在聲阻抗耦合材料、高效高能電極、隔熱保溫材料、催化劑及其載體等領域有廣闊的應用前景。SiO2氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚物分子相互交聯(lián)構(gòu)成的具有空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)納米多孔材料，具有納米結(jié)構(gòu)、大比表面積(最高可達800～1000 m2/g)、高孔隙率(可高達80％～99.8％)、低密度(目前最低可達1 mg/cm3)等特點。 20世紀30年代初斯坦福大學Kistle通過水解水玻璃制得了硅基氣凝膠，但因制備工藝復雜和產(chǎn)品純化難而未得到發(fā)展。70年代后期，Teichner等正硅酸甲酯代替Kistle所使用的水玻璃，在超臨界甲醇條件下制備出高質(zhì)量的硅基氣凝膠。80年代，伯克利實驗室以正硅酸乙酯替代了毒性較大的正硅酸甲酯成功地制備了SiO2氣凝膠。因超臨界干燥工藝耗能高，危險性大，原材料和設備昂貴復雜，難以進行連續(xù)性及規(guī)模化生產(chǎn)。近年來，氣凝膠的研究主要集中在德國、瑞典、美國、法國等歐美發(fā)達國家。Knez等人的研究表明：經(jīng)過疏水改性的SiO2氣凝膠對水中揮發(fā)性有毒污染物的吸附性能較高，是粒狀活性炭吸附性能的15~400倍，并且在惰性氣體吹脫下氣凝膠可以再生，實現(xiàn)高效重復利用20余次。因此，氣凝膠作為吸附材料脫除環(huán)境有機污染物是完全可行的，與其他吸附材料相比（如吸附棉），氣凝膠不僅吸附容量大，而且可以實現(xiàn)重復利用，避免使用消油劑浪費溢油及二次污染問題，一步回收實現(xiàn)油品的深度處理。由于氣凝膠連續(xù)的介孔網(wǎng)絡有利于反應分子的流動，容易使反應分子進入具有催化活性的內(nèi)表面區(qū)，因此氣凝膠催化催化劑或者作為催化劑載體有助于提高催化效果。此外，以氣凝膠為載體的漂浮型硅基氣凝膠光催化材料不僅具有優(yōu)異的吸附性能，還具有良好的光催化活性，對水楊酸、苯酚、硝基苯酚、吡啶及氰類化合物具有優(yōu)異的光催化性能。在國內(nèi)，氣凝膠的研究最早始于同濟大學波耳固體物理研究所，它率先建立了一套氣凝膠制備及若干性質(zhì)測量的設備，并和德國維爾茲堡大學物理所合作開展氣凝膠材料的系統(tǒng)研究。另外北京科技大學、中科院山西煤化所等高校和科研機構(gòu)也發(fā)表過相關(guān)論文。但對國內(nèi)對漂浮型硅基氣凝膠的研究大多處于起步階段，同時對其開發(fā)技術(shù)對我國進行了封鎖，不可能依靠進口技術(shù)來解決，也就無法將其應用到廢水的污染治理中，因此高性能漂浮型硅基氣凝膠復合材料的低成本、常壓干燥制備技術(shù)的開發(fā)已迫在眉睫，在水處理中的應用示范研究也勢在必行。
