超临界流体技术:SiO2气凝胶的制备及其对2-苯乙醇的超临界吸附

摘要

SiO2气凝胶是指由SiO2纳米粒子相互聚结构成纳米多孔网状结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种固态材料，也属于纳米材料的一种。因为其独特的三维网络结构以及高孔隙率、高孔容、高比表面积等物理性质，SiO2气凝胶可广泛应用于催化剂载体、传感器、气体分离等。超临界流体（Supercritical Fluid， SCF）技术为一项新型的绿色技术，在许多领域中获得了重要的进展。本研究主要采用SCF技术制备SiO2气凝胶粉体，并研究超临界CO2中香料2-苯乙醇在SiO2上的吸附行为。
　　 采用水玻璃为原料，分别用硫酸催化法、柠檬酸催化法、离子交换法、碳化法制备SiO2湿凝胶。采用超临界干燥（Supercritical Fluid Drying, SCD）技术对凝胶进行干燥，最终获得SiO2气凝胶粉体，用FT-IR、XRD、SEM、BET表征所制备的SiO2粉体的结构、形貌和比表面积等。结果表明：所制备SiO2颗粒一次粒径为纳米级，呈三维网络结构，分布均匀，呈无定型态；应用SCD技术所获得的颗粒孔容明显高于其他干燥方式获得的颗粒，孔容范围0.90-1.37cm3/g，比表面积在300-700m2/g，并且发现制备凝胶过程中，扩孔、助孔可以有效提高颗粒的孔容；以柠檬酸为催化剂所获得的颗粒孔容和比表面积高于硫酸催化法。
　　 采用超临界吸附技术研究在超临界CO2中2-苯乙醇在选定的SiO2材料上的吸附行为。用SEM、FT-IR分析吸附前后SiO2结构的变化，并探讨了SiO2颗粒比表面积、孔容对2-苯乙醇吸附量的影响。结果表明：吸附前后SiO2的孔结构并没有发生坍塌现象，吸附过程中也没有发生很明显的键的变化；15.0MPa、8.4MPa条件下2-苯乙醇的吸附平衡时间均约15h，远低于饱和蒸汽压条件下的平衡时间（37h以上）；当2-苯乙醇在超临界CO2中处于不饱和溶解状态时，其吸附行为符合单层吸附，当2-苯乙醇在超临界CO2中浓度缓慢升高到饱和溶解状态时，SiO2对其吸附量急剧升高，表明饱和状态下的香料吸附更具有实际意义；在研究的吸附范围内（吸附压力8.4-16.8MPa，温度313-333K，2-苯乙醇在超临界CO2中达到饱和），2-苯乙醇的吸附量随着温度的升高而减小，随着压力的升高而增大。本研究首次在超临界流体吸附中发现从单分子层吸附到多分子层吸附的变化规律。
　　 建立超临界吸附模型，分别用三维的SV(Stryjek-Vera)修正的Peng-Robinson状态方程(3D-PRSV EoS)描述流体相，两维的范德华方程(2D-vdW EoS)描述吸附相，很好地模拟出2-苯乙醇在超临界CO2中于SiO2上的吸附行为，在实验的温度压力范围内，平均相对离差绝对值(Absolute Average Relative Deviation， AARD)在1.8％左右。