【成果推介】SiO2气凝胶的制备及其处理有机污染物的关键技术

成果简介

本项目开发了固体废弃物分离提纯SiO₂以及气凝胶复合化的关键技术，攻克了气凝胶制备水平低、表面功能和吸附效率低等问题，突破了制约气凝胶及其制品产业化的技术瓶颈。

主要科技创新如下：

（1）提出了从农业固体废弃物稻壳中有效分离制备气凝胶前驱体的方法。针对我国目前如何从废弃物中分离提纯SiO₂，并通过网络形成剂和改性剂控制得到硅溶胶前驱体材料的问题，制备出性能良好的高比表面积SiO₂气凝胶，且SiO₂的提取率达到88-94.5%，与现有报道相比，处于国际先进水平。提出了一种以农业固体废物稻壳作为原料制备高模数水玻璃的方法，并建立了SiO₂/NaOH摩尔比（N）与水玻璃模数（M）之间的关系模型，为以农业固体废弃物稻壳为原料制备不同模数的水玻璃提供了便捷的计算方法。

1. 羟基改性二氧化硅气凝胶对阴、阳离子染料均具有良好的吸附和再生性能，突破了传统吸附剂吸附对象单一和循环再生性能差的瓶颈；胺基改性二氧化硅气凝胶可快速高效处理高浓度腐殖酸，吸附效果超过了已有报道的吸附剂。

2. 利用密度泛函理论计算从原子层面揭示了羟基改性二氧化硅气凝胶与阳离子染料MB和阴离子染料CR，胺基改性二氧化硅气凝胶与腐殖酸的相互作用机制，为二氧化硅气凝胶的功能设计、表面改性及其应用提供理论依据。

    

   应用前景

    气凝胶是国家基础战略性前沿新材料，对降低碳排放、实现“双碳”目标具有重要战略意义。国家出台多项政策大力鼓励气凝胶行业发展，如《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南》（2022年版）和《关于开展2021年度重点新材料首批次应用保险补偿机制试点工作的通知》等政策均明确提出推进新材料气凝胶发展。

   我国气凝胶下游中占比最高的油气项目中，气凝胶主要作为能源基础设施的外保温材料和天然气管道的保温材料，能节约空间、提高约30％施工效率、节约能源和维护成本。在环境净化方面，SiO₂气凝胶也可用于水体净化和油污吸附，能够快速、大量地吸收水中的硝基苯、油污、苯酚及一些挥发性有毒污染物，对亚甲基蓝等染料类吸附质具有高达98%以上的去除效果，在海洋净化、石油化工水体污染等领域有着较为广泛应用。在交通方面，由于气凝胶更轻、阻燃性能好，可以有效解决电池热失控问题。据国家新材料产业发展战略咨询委员会《2022气凝胶行业研究报告》，在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料，可将电池包高温耐受能力提高至800℃以上。随着新能源车市场高速发展，气凝胶需求量有望持续提升。

    

   成熟度

   目前，本项目处于小试阶段，SiO₂气凝胶的制备通常包含溶胶-凝胶和干燥两个主要过程：第一步是通过溶胶凝胶过程制备湿凝胶；第二步是利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。我们主要解决了2个方面的问题：1.制备SiO₂气凝胶的硅源，2.SiO₂气凝胶的快速干燥。

成果展示

图1 SiO₂气凝胶SEM   图2 Fe₃O₄@SiO₂气凝胶SEM

图3 改性SiO₂气凝胶高效处理腐殖酸有机废水

知识产权情况

成果完成人

资源环境与材料学院：冯庆革

成果转化，请联系成果与合作处，联系人：王老师，联系电话：0771-3810467。