一、前 言
圖1 大氣污染嚴(yán)重
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)境問題日趨嚴(yán)峻，對生態(tài)系統(tǒng)和人類生存與健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。針對溫室氣體、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、使用簡便、無二次污染且吸附劑可循環(huán)使用等優(yōu)點，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發(fā)一直是該領(lǐng)域的研究熱點。
圖2 世界上最輕的固體氣凝膠
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，我們就來簡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
對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，使其具有很好的吸附性能，是活性炭吸附能力的6倍。此外，氣凝膠開放連通的孔隙結(jié)構(gòu)有利于氣體擴(kuò)散流動，使氣體分子易于與吸附位點接觸。因此，無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)對氣體進(jìn)行物理吸附，吸附量有限，吸附選擇性不高，在實際應(yīng)用中共存氣體組分的競爭吸附往往對目標(biāo)氣體的吸附產(chǎn)生不利影響。因此，近年來的研究工作大多集中在對氣凝膠進(jìn)行修飾改性以提升其對目標(biāo)氣體的吸附量和/或選擇性。
圖3 氣凝膠在工業(yè)污染處理中的應(yīng)用
在CO2吸附方面，對于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)吸附同時提高氣凝膠對CO2的吸附量和選擇性;而對于碳?xì)饽z則可通過活化進(jìn)一步提升其比表面積，并同時引入對CO2吸附起到關(guān)鍵作用的微孔和超微孔以實現(xiàn)高效吸附。在VOCs吸附凈化方面，依靠物理吸附的主要問題是需要克服水分子的競爭吸附作用，其研究主要集中在通過引入非極性有機(jī)官能團(tuán)對氣凝膠進(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方面。
目前針對環(huán)境凈化研究報道最多的主要是SiO2氣凝膠和碳?xì)饽z。此外，近年來對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)報道。
1.SiO2氣凝膠
圖4 SiO2氣凝膠氈
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，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。通過對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。
由于水分子的競爭吸附，活性炭、硅膠等傳統(tǒng)物理吸附類材料在潮濕環(huán)境下對VOCs的吸附性能會顯著降低。而疏水SiO2氣凝膠，可有效抑制水分子的競爭吸附，提高材料在潮濕環(huán)境下對目標(biāo)有機(jī)氣體的選擇性。疏水SiO2氣凝膠對于苯、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，吸附過程繼續(xù)。
圖5 SiO2氣凝膠在水體凈化中的應(yīng)用
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，對亞甲基藍(lán)等染料類吸附質(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
圖6 碳?xì)饽z
碳?xì)饽z作為一種新型納米級多孔碳材料，具有孔隙率高、比表面大、密度范圍廣等特點。碳?xì)饽z具有高于SiO2氣凝膠的比表面積和孔體積，是另一大類氣凝膠吸附材料。除采用類似SiO2氣凝膠的修飾改性方法外，碳?xì)饽z還可通過活化進(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，水中的金屬雜質(zhì)就會吸附在氣凝膠上。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如金屬中心、活性羥基等使其具有獨特的吸附性 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，對乙醛、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臨界干燥或者冷凍干燥制備出來，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，同時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。
圖7 纖維素氣凝膠對油類和有機(jī)溶劑的吸附(a：植物油;b：環(huán)己烷;c：氯仿)
5.SiC氣凝膠
圖8 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
圖9 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，又易于進(jìn)一步修飾改性。石墨烯氣凝膠對CO2?SO2具有較高的吸附量和較快的吸附速率，其對CO2的最大吸附量為2.38 mmol/g(1000kPa)，對SO2的最大吸附量為2.19mmol/g，在5min內(nèi)即可達(dá)到吸附平衡。
圖10 大氣污染、水污染對環(huán)境的傷害
四、總 結(jié)
氣凝膠具有超高的孔隙率、開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，未來應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)氣凝膠在檢測技術(shù)和處理方法上的研究，基于我國環(huán)境中存在的污染物質(zhì)的具體情況對其改革創(chuàng)新，充分發(fā)揮氣凝膠在環(huán)境凈化領(lǐng)域中的作用。
