纳米多孔SiO气凝胶的常压制备及其吸附特性研究

摘要

吸附材料在空气净化、污水处理、化工提纯、医药过滤、海水淡化等领域有着广泛的应用。SiO2气凝胶由纳米颗粒骨架构成，拥有高通透性的圆筒形多分枝孔和纳米骨架组成的三维空间纳米网络结构，气凝胶孔洞率最高可达99％，并且这些孔洞尺度仅为几十纳米，形成了巨大的比表面积，非常有利于对有害物质的吸附，是具有广泛应用前景的一类吸附材料。近年来随着溶胶-凝胶技术，特别是常压干燥技术的发展，避免了昂贵繁琐的超临界干燥过程，气凝胶的制备成本大幅下降，使得大规模生产和应用SiO2气凝胶成为可能。本论文采用工业化原料多聚硅氧烷E-40为硅源，结合常压干燥和表面修饰工艺获得疏水、亲水特性可调的纳米多孔SiO2气凝胶。通过SiO2气凝胶与其他纤维材料复合，获得性能优异的气凝胶复合材料，并研究气凝胶及其复合材料在空气净化、污水处理、吸污过滤、海岸泄漏石油回收、海水净化等领域的应用。本论文经过理论和实验的探索，得到如下结论：总结了与本文相关的一些基础理论，总结了固体-气体吸附和固体-液体吸附的几种理论模型。研究了多孔固体的吸附行为，多孔固体吸附的吸附滞后现象与毛细管凝聚有关的，并对多孔固体中的吸附滞后现象进行了解释。采用廉价的工业原料多聚硅(E-40)为源，采用表面修饰结合常压干燥工艺取代超临界干燥过程，实现疏水型SiO2气凝胶的常压干燥工艺。探索了气凝胶微结构与其制备工艺条件之间的对应关系，从而指导气凝胶的化学剪裁。结合常压干燥工艺获得亲水、疏水特性可调的纳米多孔SiO2气凝胶。通过添加聚氨酯高聚物获得有机-无机复合SiO2气凝胶，并对获得的SiO2气凝胶性能进行表征，以此来指导和优化工艺。通过三甲基氯硅烷(TMCS)、六甲基二硅胺烷和氟代硅烷(FAS)几种表面修饰液维持SiO2凝胶的纳米多孔结构，用各种方法表征了表面修饰前后的二氧化硅气凝胶的表面基团，并对溶剂替换和表面修饰的机理进行了系统的研究；解决目前SiO2气凝胶常压干燥工艺过程中出现的一系列难题。研究了SiO2气凝胶在气相吸附中的应用。通过对不同气体的吸附可了解SiO2气凝胶的孔形状和结构，得出气凝胶具有吸附不同介质的选择性。SiO2气凝胶饱和吸附容量远远高于活性碳纤维(ACF)和颗粒活性炭(GAC)。气凝胶的饱和吸附容量和吸附质本身的性质有很大的关系。气凝胶作为ICF实验中的低温冷冻靶是可行性的。SiO2气凝胶对各种蒸气的吸附既包括物理吸附，又包括化学吸附。SiO2气凝胶不仅脱附方便，对吸附质脱附后的吸附容量变化也不大，为循环利用创造了有利的条件。通过热压和浸渍复合工艺，制备出性能优异的气凝胶复合材料，经纤维掺杂的气凝胶的抗压强度明显高于纯SiO2气凝胶，复合纤维掺杂SiO2气凝胶具有一定的弹性，可以轻微地弯折。气凝胶纤维材料复合后仍具有比较好的疏水性能，接触角为122°。研究了SiO2气凝胶纤维复合材料在气相吸附中的应用。SiO2气凝胶复合材料的饱和吸附容量不但与单位面积SiO2气凝胶的克量存在正比关系，而且与SiO2气凝胶的本身吸苯容量成正比。SiO2气凝胶复合材料的饱和吸苯容量远远高于活性碳无纺布、活性碳无纺毡和活性碳纤维毡。SiO2气凝胶纤维复合材料在透气性、断裂强力、断裂伸长率方面等都很有优势，透气量较大，适合制作各种环保产品，并供有关单位使用。研究了SiO2气凝胶在液相吸附中的应用。亲水型SiO2气凝胶对染料类吸附质的去除效果都达到98％以上。气凝胶吸附容量和吸附质本身的性质有很大的关系。SiO2气凝胶对亚甲基蓝去除效果随着亚甲基蓝浓度的增大而增大。疏水气凝胶对亚甲基蓝的去除远远高于对苯酚的去除率。用Freundlich和deBoer-Zwikker公式对吸附等温线拟合得非常好。吸附质在气凝胶中的吸附均为多分子层吸附。再生后的气凝胶对染料类吸附质的去除效果都在98％以上，吸附效果仍然很好。初步研究了疏水气凝胶的吸油性能。疏水SiO2气凝胶对机油的吸附能力是气凝胶本身重量的15-25倍，而且我们发现疏水SiO2气凝胶以颗粒状形式比粉体形式有更好的吸附能力，是气凝胶本身重量的20-30倍，和其他吸附材料相比，我们常压制备的疏水SiO2气凝胶对油的吸附能力是比较高的。目前进一步的研究和分析正在进行中。初步分析了疏水气凝胶的吸油机理。关键词：SiO2气凝胶，常压干燥，表面修饰，纤维复合材料，气相吸附，液相吸附，吸油

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1前言

1.2气凝胶的定义

1.3气凝胶的研究历史

1.4气凝胶制备工艺技术的发展趋势

1.4.1超临界干燥

1.4.2冰冻干燥

1.4.3常压干燥

1.5气凝胶的特性和应用

1.5.1保温隔热材料

1.5.2催化方面应用

1.5.3吸附环保材料

1.5.4光学特性的应用

1.5.5电子领域

1.5.6声学材料

1.5.7油漆、油墨、粘合剂行业

1.5.8食品、医药、化妆品行业

1.5.9军工领域

1.6本文研究目的和内容

第2章本论文相关的理论基础

2.1 SiO2气凝胶常压干燥及表面修饰的理论基础

2.1.1表面张力

2.1.2凝胶结构

2.1.3凝胶表面基团

2.2 SiO2气凝胶吸附的理论基础

2.2.1物理吸附与化学吸附

2.2.2固体—气体吸附的理论模型

2.2.3固体—液体吸附的理论模型

2.2.4吸附等温线的分类

2.2.5多孔固体的吸附行为

2.3本章小结

第3章SiO2气凝胶的常压制备工艺

3.1前言

3.2实验制备

3.2.1制备条件对SiO2气凝胶结构的影响

3.2.2表面修饰及常压干燥

3.2.3测量表征

3.3结果与讨论

3.3.1 SiO2气凝胶的形貌

3.3.2 SiO2气凝胶的比表面积和孔径分布

3.2.3 SiO2气凝胶的疏水性能

3.2.4 SiO2气凝胶的红外特性

3.2.5 SiO2气凝胶的热分析

3.2.6有机-无机复合SiO2气凝胶

3.4本章小结

第4章SiO2气凝胶的表面修饰研究

4.1前言

4.2实验

4.1.1凝胶的制备

4.2.2凝胶的表面修饰

4.2.3气凝胶的疏水与亲水表面活性可调

4.2.4气凝胶性能测试

4.3结果与讨论

4.3.1三甲基氯硅烷(TMCS)表面修饰的SiO2气凝胶性能测试

4.3.2六甲基二硅胺烷(HDMS)和氟代硅烷(FAS)表面修饰和改性

4.4本章小结

第5章SiO2气凝胶的气相吸附性能研究

5.1.引言

5.2.实验部分

5.2.1氮气吸附

5.2.2正己烷、水蒸气吸附

5.2.3氨气吸附

5.2.4苯、四氯化碳、甲苯、甲醛、乙醛蒸气吸附

5.2.5氢气吸附

5.3.结果与讨论

5.3.1 SiO2气凝胶的氮气吸附性能

5.3.2 SiO2气凝胶的正己烷、水蒸气吸附性能

5.3.3 SiO2气凝胶的苯、四氯化碳、甲苯、甲醛、乙醛及氨气吸附性能

5.3.4 SiO2气凝胶的H吸附特性研究

5.3.5 SiO2气凝胶吸、脱附性能

5.3.6 SiO2气凝胶吸附机理分析

5.4本章小结

第6章气凝胶纤维复合材料的常压制备及其吸附性能

6.1引言

6.2实验过程

6.2.1骨架材料选择

6.2.2 SiO2溶胶的制备

6.2.3热溶法气凝胶纤维复合材料的制备

6.2.4热压法气凝胶纤维复合材料的制备

6.2.5浸渍法气凝胶纤维复合材料的制备

6.2.6涂布法气凝胶纤维复合材料的制备

6.2.7 SiO2气凝胶纤维复合材料的中试

6.2.8气凝胶纤维复合材料性能测试

6.3结果与讨论

6.3.1不同复合工艺的比较

6.3.2温度对复合工艺的影响

6.3.3气凝胶纤维复合材料的表面形貌

6.3.4纤维复合材料中气凝胶的孔结构

6.3.5气凝胶纤维复合材料与纯气凝胶机械性能比较

6.3.6气凝胶纤维复合材料的接触角测试

6.3.7气凝胶纤维复合材料的吸附性能

6.3.8 SiO2气凝胶复合材料的物理性能

6.3.9 SiO2气凝胶复合材料的应用

6.4本章小结

第7章SiO2气凝胶的液相吸附性能研究

7.1引言

7.2实验部分

7.2.1朗伯-比耳定律

7.2.2标准曲线测定

7.2.3吸附等温线测定

7.3实验结果与分析

7.3.1对液相中同一种染料类吸附质的液相吸附等温线

7.3.2对液相中不同浓度的亚甲基蓝吸附质的液相吸附等温线

7.3.3疏水气凝胶对不同种类的吸附质的吸附等温线比较

7.3.4气凝胶吸附剂的再生

7.3.5气凝胶吸附亚甲基蓝的吸附机理分析

7.4疏水SiO2气凝胶吸油的初步研究

7.4.1吸油材料的研究进展

7.4.2疏水SiO2气凝胶吸油实验

7.4.3疏水SiO2气凝胶吸油结果

7.4.4疏水SiO2气凝胶吸油机理初步研究

7.5本章小结

第8章结论与展望

8.1结论

8.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果