CN111437794A

CN111437794A - 一种SiO2气凝胶/活性炭复合材料吸附剂的制备方法

Info

Publication number: CN111437794A
Application number: CN202010329835.7A
Authority: CN
Inventors: 李贞玉; 李红双; 闫钰; 陈妍; 苏佳航; 袁雨菲
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2020-07-24

Abstract

本发明涉及一种SiO₂气凝胶/活性炭复合材料吸附剂的制备方法，属于吸附材料技术领域。其制备特点是采用溶胶‑凝胶工艺，以水玻璃为硅源，去离子水为溶剂，分别配制一定浓度的HCl、氨水作催化剂，加入不同量的活性炭，采用常压干燥工艺，制备SiO₂气凝胶/活性炭复合材料，本发明制备工艺简单，原料廉价易得，制备周期短，所制备的材料化学性质稳定。本发明制备的复合吸附材料具有较大的比表面积，能够有效吸附废水中的铬离子，具有很好的应用前景。

Description

一种SiO2气凝胶/活性炭复合材料吸附剂的制备方法

技术领域

本发明属于吸附材料技术领域，具体涉及一种SiO₂气凝胶/活性炭复合材料吸附剂的制备及应用。

背景技术

重金属有很多不同的定义。可分为三大类：有毒金属（Hg、Cr、Pb、Zn、Cu、Ni、Cd、As、Co、Sn 等），放射性金属（U、Th、Ra、Am 等）和贵重金属（Pd、Pt、Ag、Au、Ru 等），根据调查每年有数百万吨的重金属排放到环境中去。

大量未经处理的城市生活垃圾、工业和生活污水以及大气沉降物等不断排放到水体中，这些污染源中含有大量重金属，是造成我国水体重金属污染的主要原因。《2012年中国环境状况公报》数据显示：海洋重要渔业水域沉积物中，主要污染指标为铜和镉。《2013年中国环境状态公报》显示黄河渔业水域铜超标较重，长江流域部分水域铜略微超标，而海湾以渤海为例，近岸海域水质与上一年相比变差，铅和镍重金属污染为其中的主要污染物质。水污染是我国面临的主要环境问题之一。随着我国工业的发展，工业废水的排放量日益增加，达不到排放标准的工业废水排入水体后，会污染地表水和地下水。水体一旦受到污染，要想在短时间内恢复到原来的状态是不容易的。水体受到污染后，不仅会使其水质不符合饮用水、渔业用水的标准，还会使地下水中的化学有害物质和硬度增加，影响地下水的利用。我国的水资源并不丰富，若按人口平均占有径流量计算，只相当于世界人均值的四分之一。而地表水和地下水的污染，将进一步使可供利用的水资源数量日益减少，势必影响工农渔业生产，直接或间接地给人民生活和身体健康带来危害。工业废水主要来自冶金、化工、电镀、造纸、印染、制革等行业。废水中有害物质的种类和数量因生产工艺和生产方式的不同而有很大差异。如矿山、电力等部门的废水主要含无机污染物,而造纸、食品等部门的废水有机物含量很高。如由于特殊的地质化学成分的影响,使水中某些微量元素含量过高或过低。势必对环境的很大的污染与危害，人们长期饮用这种水会引起某些疾病,如水致地方性氟中毒及地方性甲状腺肿。

除了水体的重金属污染我国的土壤重金属污染现象也十分严重。2014 年全国土壤污染状况调查公报显示全国土壤总的超标率为16.1%，污染类型以无机型为主，占总超标点位的82.8%，主要是镉、汞、砷、铅、铜、镍、铬、锌8种无机污染物。土壤污染中农田污染尤为严重，2011年全国受重金属污染的农田面积达到1.5亿亩，占全国耕地面积的8.3%，造成巨大的经济损失。因此，我国的生态安全和人体健康受到了严重的威胁。据统计，目前我国每年发生上百起突发环境事件，频繁发生水污染事件，城市供水的安全受到严重的影响。就污染事件分布来看，我国华南、西南地区的重金属事故较为频繁，因为这些地区的有色金属矿产资源丰富，矿产与冶炼业发达，近十年来发生了轰动全国的数起污染事件，如2012 年广西龙江镉污染，2011 年湖南广东武江锑污染事件、2010 年广东北江铊污染事件等。

水污染的治理尤其是含有机物的废水的治理成为世界关注的热点问题。虽然传统的活性碳材料也具有吸附作用，但其成本较高，效率也低。SiO₂气凝胶是一种由纳米粒子相互聚结构成的具有纳米孔隙结构的新型固态材料，具有密度低、孔隙率高、比表面积大、分布均匀和透光性能好等特点，在许多领域具有非常广泛的应用前景。

目前，关于制备SiO₂气凝胶的报道很多，若将SiO₂气凝胶与活性炭复合，则将会大大扩展其在吸附、隔热、催化、色谱填充，以及激光惯性约束聚变等领域的应用范围和效率，有望为其大规模制备和应用提供一条切实可行的路线，具有重要意义。

迄今为止，关于SiO₂气凝胶/活性炭复合研究虽已有报道，但仍不多。另外，以往的制备方法还存在一些不足，例如成本较高，油相成分复杂且制备繁琐。本文分别以水玻璃为硅源，实现了SiO₂气凝胶/活性炭复合材料的制备，有望在制备吸附材料等方面发挥作用。

发明内容

SiO₂气凝胶是一种由纳米颗粒相互堆积成的新型多孔固体材料，具有许多独特的性质，在吸附材料、化工、建筑节能、航空航天和催化材料等领域具有非常广阔的应用前景。溶胶-凝胶法和超临界干燥工艺制备的SiO₂气凝胶材料是表面开放的多孔网络结构，在潮湿的环境或水条件中应用会对气凝胶结构有一定的破坏作用。一般条件下，经过超临界二氧化碳或其它介质干燥二氧化硅醇凝胶，会得到含有大量羟基的亲水性基团SiO₂气凝胶，这气凝胶在空气中非常容易吸水或水汽分子。当气凝胶材料吸水后，水分子不断进入气凝胶多孔材料中会对其强度大幅度地降下，有时甚至会使材料完全破坏，失去材料应有的特性。将二氧化硅凝胶材料进行疏水处理和对原料进行廉价地采购，进一步改进干燥条件并维持气凝胶多孔独特结构，使其能在各领域发挥极大作用。

在常压条件下，结合溶胶-凝胶法制备出气凝胶/活性炭复合材料，具体操作步骤如下：

（1）配置2.5%氨水溶液：取55ml氨水于500ml的容量瓶中，定容至刻度线。

（2）配置3mol/L的盐酸：盐酸：水=1:3，取50ml盐酸于150ml水中，密封放置阴凉处保存。

（3）按水玻璃与去离子水的比例为1:4、1:3、1:2、1:1，取30ml水玻璃置于烧杯内，加入120ml、90ml、60ml和30ml的去离子水，用玻璃搅拌。取一定量配置的盐酸，再加入配置好的水玻璃，静置24h，使硅源在酸性条件下充分水解。加入配置的氨水，放入1g、3g、5g、7g的活性炭粉末，一段时间后凝胶。

（4）将上述制得的气凝胶/活性炭复合材料用乙醇洗涤过滤2-3次。由于湿凝胶强度低、易碎球形度不好。而老化处理可以增强骨架强度，用正己烷浸泡气凝胶/活性炭复合材料24 h。

（5）将老化处理后的气凝胶/活性炭复合材料在40℃常压干燥24h，制备出黑色的气凝胶/活性炭复合材料。

当水玻璃：去离子水=1:4，活性炭粉末投加量为5g，pH为5左右，老化时间为48h，干燥温度40℃，干燥时间24h时，制备出综合性较好的气凝胶/活性炭复合材料。

气凝胶/活性炭复合材料对铬离子吸附性能测试的具体方法和条件如下：

以二苯碳酰二肼溶液作为显色溶液，以20ml 浓度为0.01g/L铬离子溶液作为模拟废水，对其进行吸附测验，加入0.5g的气凝胶/活性炭复合材料，在40℃条件下搅拌3h，加入2ml显色溶液，摇匀，5-10min后，取溶液于540nm波长处测吸光度（蒸馏水作空白校正），再根据铬离子的浓度-吸光度标准曲线确定溶液的浓度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用水玻璃为硅源，去离子水为溶剂，HCl、氨水作为催化剂，加入不同量的活性炭，采用常压干燥工艺，制备SiO₂气凝胶/活性炭复合材料，解决了制备成本较高，油相成分复杂，制备繁琐等问题。本发明所采用的原料易获得高分散与高均匀的溶胶，易于实现化学配比，能避免产生不必要的副产物，从而提高吸附效果。

附图说明

图1是本发明制备的气凝胶/活性炭复合材料的扫描电子镜图。

图2是本发明制备的纯气凝胶和气凝胶/活性炭复合材料的红外光谱分析

图3是本发明制备的气凝胶/活性炭复合材料对N₂吸附脱附等温曲线

图4是本发明制备的气凝胶/活性炭复合材料孔径分布图

图5是本发明制备的纯气凝胶和气凝胶/活性炭复合材料的热重分析曲线

具体实施方式

实施例1：

在常压条件下，取55ml氨水于500ml的容量瓶中，定容至刻度线，配置出2.5%氨水溶液；取50ml盐酸于150ml水中，配置3mol/L的盐酸；按水玻璃：去离子水=1:4的比例取30ml水玻璃置于烧杯内，加入120ml去离子水，用玻璃搅拌。取一定量配置3mol/L的盐酸，再加入配置好的水玻璃，静置24h，使硅源在酸性条件下充分水解。加入2.5%的氨水，放入5g活性炭粉末，一段时间后凝胶。将上述制得的气凝胶/活性炭复合材料用乙醇洗涤过滤2-3次。用正己烷对其老化处理气凝胶/活性炭复合材料24 h。将老化处理后的气凝胶/活性炭复合材料在40℃常压干燥24h，制备出黑色的气凝胶/活性炭复合材料。

实施例2：

在常压条件下，取55ml氨水于500ml的容量瓶中，定容至刻度线，配置出2.5%氨水溶液；取50ml盐酸于150ml水中，配置3mol/L的盐酸；按水玻璃：去离子水=1:3的比例取30ml水玻璃置于烧杯内，加入90ml去离子水，用玻璃搅拌。取一定量配置3mol/L的盐酸，再加入配置好的水玻璃，静置24h，使硅源在酸性条件下充分水解。加入2.5%的氨水，放入5g活性炭粉末，一段时间后凝胶。将上述制得的气凝胶/活性炭复合材料用乙醇洗涤过滤2-3次。用正己烷对其老化处理气凝胶/活性炭复合材料24 h。将老化处理后的气凝胶/活性炭复合材料在40℃常压干燥24h，制备出黑色的气凝胶/活性炭复合材料。

实施例3：

在常压条件下，取55ml氨水于500ml的容量瓶中，定容至刻度线，配置出2.5%氨水溶液；取50ml盐酸于150ml水中，配置3mol/L的盐酸；按水玻璃：去离子水=1:2的比例取30ml水玻璃置于烧杯内，加入60ml去离子水，用玻璃搅拌。取一定量配置3mol/L的盐酸，再加入配置好的水玻璃，静置24h，使硅源在酸性条件下充分水解。加入2.5%的氨水，放入5g活性炭粉末，一段时间后凝胶。将上述制得的气凝胶/活性炭复合材料用乙醇洗涤过滤2-3次。用正己烷对其老化处理气凝胶/活性炭复合材料24 h。将老化处理后的气凝胶/活性炭复合材料在40℃常压干燥24h，制备出黑色的气凝胶/活性炭复合材料。

实施例4：

在常压条件下，取55ml氨水于500ml的容量瓶中，定容至刻度线，配置出2.5%氨水溶液；取50ml盐酸于150ml水中，配置3mol/L的盐酸；按水玻璃：去离子水=1:1的比例取30ml水玻璃置于烧杯内，加入30ml去离子水，用玻璃搅拌。取一定量配置3mol/L的盐酸，再加入配置好的水玻璃，静置24h，使硅源在酸性条件下充分水解。加入2.5%的氨水，放入5g活性炭粉末，一段时间后凝胶。将上述制得的气凝胶/活性炭复合材料用乙醇洗涤过滤2-3次。用正己烷对其老化处理气凝胶/活性炭复合材料24 h。将老化处理后的气凝胶/活性炭复合材料在40℃常压干燥24h，制备出黑色的气凝胶/活性炭复合材料。

实施例5：

将实施例1中的活性炭粉末放入量改为1g，其他条件不变。

实施例6：

将实施例1中的活性炭粉末放入量改为3g，其他条件不变。

实施例7：

将实施例1中的活性炭粉末放入量改为7g，其他条件不变。

本发明所制备的吸附材料可负载于其他载体上，本发明不限于以上实施方案。

Claims

1.一种气凝胶/活性炭复合吸附材料的制备方法，具体方法包括：

（1）配置2.5%氨水溶液：取55ml氨水于500ml的容量瓶中，定容至刻度线;

（2）配置3mol/L的盐酸：盐酸：水=1:3，取50ml盐酸于150ml水中，密封放置阴凉处保存;

（3）按水玻璃与去离子水的比例为1:4、1:3、1:2、1:1，取30ml水玻璃置于烧杯内，加入120ml、90ml、60ml和30ml的去离子水，用玻璃棒搅拌;取一定量配置的盐酸，再加入配置好的水玻璃，静置24h，使硅源在酸性条件下充分水解;加入配置的氨水，放入1g、3g、5g、7g的活性炭粉末，一段时间后凝胶;

（4）将上述制得的气凝胶/活性炭复合材料用乙醇洗涤过滤2-3次;由于湿凝胶强度低、易碎球形度不好;而老化处理可以增强骨架强度，用正己烷浸泡气凝胶/活性炭复合材料24h;

2.根据权利要求1所述气凝胶/活性炭复合吸附材料的制备方法，其特征在于：原料采用水玻璃：去离子水=1:4，活性炭粉末为5g。

3.根据权利要求1所制备的吸附材料，其特征在于能够对水溶液中的铬离子（Ⅵ）进行吸附。