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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 漂浮型硅基復(fù)合氣凝膠的常壓制備及其在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 采用常溫常壓—溶劑交換—表面改性一步工藝，優(yōu)化合成條件，以易控硅源為原料，加以具備不同優(yōu)越性能的添加劑，通過(guò)常壓干燥制備微觀納米可控的氣凝膠復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于污水的深度處理，實(shí)現(xiàn)污染物的快速吸附和徹底降解。建立氣凝膠吸附/再生的動(dòng)力學(xué)模型，探討氣凝膠快速吸附過(guò)程所涉及的環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程的基本科學(xué)問(wèn)題，為利用氣凝膠綜合治理水質(zhì)污染奠定必要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品通過(guò)溶劑置換、老化、表面改性等方法，制備漂浮型硅基氣凝膠及其復(fù)合材料；通過(guò)對(duì)催化劑種類、催化劑用量、反應(yīng)工藝、反應(yīng)條件、干燥工藝參數(shù)以及不同的改性劑和改性工藝對(duì)產(chǎn)品性能影響的對(duì)比分析，篩選出合適的漂浮型氣凝膠常壓干燥制備工藝；設(shè)計(jì)及合成多種不同的硅基復(fù)合氣凝膠材料，并對(duì)其吸附性能，疏水性能，光催化性能方面進(jìn)行研究，取得以下成果： 1.通過(guò)選擇不同反應(yīng)條件，探究制備硅基氣凝膠材料的合成工藝，以水解—縮聚兩步反應(yīng)，探討各項(xiàng)因素的影響，制備具有比較完整網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的濕凝膠。對(duì)制備出的濕凝膠進(jìn)行老化、溶劑交換、表面修飾改性、分級(jí)干燥等一系列處理后，常壓制備出具有特殊性質(zhì)的疏水型硅基氣凝膠材料。 2.以聚酯纖維、聚丙烯纖維、木質(zhì)素纖維、聚丙烯腈纖維為凝膠合成添加劑，在制備過(guò)程中添加不同纖維以增強(qiáng)SiO2氣凝膠材料的強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)制備出的硅基復(fù)合氣凝膠材料的吸附性能進(jìn)行研究。 3.以價(jià)格低廉、具備增強(qiáng)效應(yīng)的鈦基晶須材料為添加劑制備硅基復(fù)合材料，成功合成具有納米結(jié)構(gòu)、比表面積大、孔隙率高、結(jié)構(gòu)牢固等特點(diǎn)的晶須硅基復(fù)合材料，并以染料(羅丹明-B)為模擬廢水，對(duì)材料的光催化效果進(jìn)行一系列的研究。 4.利用常壓干燥方法合成了超疏水性SiO2和TiO2/SiO2復(fù)合氣凝膠，采用多種現(xiàn)代分析手段對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。并在自制的光催化實(shí)驗(yàn)裝置上考察其對(duì)羅丹明B的光催化降解活性。此類光催化劑對(duì)染料模擬廢水有一定的處理效果。 5.由于稀土是一類具有特殊電子結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬元素，具有一般元素?zé)o法比擬的光譜特性。在低溫條件下制備了比表面積高、具有明顯可見(jiàn)光響應(yīng)的納米介孔銪摻雜漂浮型TiO2/SiO2光催化劑，并以羅丹明B和橙黃Ⅱ?yàn)槟Ｐ头磻?yīng)物，考察了復(fù)合催化劑在可見(jiàn)光條件下光解羅丹明B和橙黃Ⅱ的活性。 6.在低溫條件下制備了具有明顯太陽(yáng)光催化活性的稀土摻雜漂浮型TiO2/SiO2光催化劑，并以亞甲基藍(lán)為模型反應(yīng)物，考察了稀土摻雜復(fù)合催化劑在太陽(yáng)光條件下光解亞甲基藍(lán)的活性，為光催化劑的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)：采用常溫常壓—溶劑交換—表面改性一步工藝，優(yōu)化合成條件，以易控硅源為原料，加以具備不同優(yōu)越性能的添加劑，通過(guò)常壓干燥制備系列微觀結(jié)構(gòu)可控的氣凝膠復(fù)合材料，并應(yīng)用于污水的深度處理，實(shí)現(xiàn)污染物快速吸附和徹底降解；建立氣凝膠吸附/再生動(dòng)力學(xué)模型，探討氣凝膠快速吸附過(guò)程涉及的環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程的基本科學(xué)問(wèn)題，為利用氣凝膠綜合治理水質(zhì)污染奠定必要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。發(fā)明目的：利用可控硅源為原料制備氣凝膠復(fù)合材料，通過(guò)常溫常壓—溶劑交換—表面改性一步工藝，以取代昂貴繁瑣的超臨界干燥過(guò)程。將低能耗操作制備的氣凝膠復(fù)合材料應(yīng)用于工業(yè)廢水中有機(jī)物的吸附凈化處理，實(shí)現(xiàn)污染物快速吸附及催化降解，減輕污染損害?；舅悸罚禾剿骱屠贸焊稍锛夹g(shù)，降低氣凝膠的制備成本。采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒉煌δ懿牧蠌?fù)合到硅基氣凝膠中，制備易回收、可反復(fù)利用的高效吸附催化材料。創(chuàng)新點(diǎn)：以低能耗操作為主要目的，常壓干燥過(guò)程替代超臨界干燥過(guò)程；材料復(fù)合與氣凝膠結(jié)構(gòu)可控合成技術(shù)相結(jié)合，為氣凝膠技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)開(kāi)辟新途徑和新思路。技術(shù)關(guān)鍵：氣凝膠復(fù)合材料制備的方法及可控合成工藝條件；孔結(jié)構(gòu)組成、表面性質(zhì)、快速吸附和脫附及催化降解的工藝控制；回收、回用及吸附容量催化性能的工程控制。主要技術(shù)指標(biāo)：孔隙率≥90%；納米級(jí)孔洞(10~20nm)和三維納米骨架顆粒(2~5nm)；比表面積400-1000m2/g；密度0.003-1.000g/cm3；硅基氣凝膠材料的使用壽命＞6次，吸附能力是自身重量的100%以上。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品以易控硅源為原料，常壓干燥替代超臨界干燥，結(jié)合氣凝膠結(jié)構(gòu)可控合成技術(shù)，制備了具有比表面積大、疏水程度高、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)良性能的硅基復(fù)合氣凝膠材料；為了提高氣凝膠的催化性能及吸附容量，實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢水的吸附催化降解及氣凝膠再生轉(zhuǎn)化一體化目標(biāo)，控制合成了摻雜型氣凝膠復(fù)合體系；利用摻雜手段制備具有可見(jiàn)光響應(yīng)的硅基復(fù)合光催化劑，為氣凝膠技術(shù)應(yīng)用于含化學(xué)污染物廢水的綜合治理和資源化利用開(kāi)辟新途徑和新思路。作品的技術(shù)特點(diǎn)和顯著特點(diǎn)：以常壓干燥替代超臨界干燥，結(jié)合氣凝膠結(jié)構(gòu)可控合成技術(shù)，制備了系列具有快速吸附能力的氣凝膠材料，提高了氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度及吸附容量，為氣凝膠技術(shù)應(yīng)用開(kāi)辟新途徑和新思路。學(xué)科交叉特色：所申請(qǐng)作品涉及無(wú)機(jī)功能材料，多相催化，環(huán)境科學(xué)與工程等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，將材料的結(jié)構(gòu)特征與其應(yīng)用于吸附光催化相關(guān)聯(lián)，為氣凝膠吸附及催化降解有機(jī)物的實(shí)用化研究奠定一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。經(jīng)中科院上?？萍甲稍儾樾轮行牟樾拢俗髌肪C合技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利授權(quán)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品 現(xiàn)場(chǎng)演示 圖片 樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⒐杌鶜饽z與不同的材料進(jìn)行復(fù)合，制備易回收、可回用的高效吸附催化材料。實(shí)現(xiàn)污染物的快速吸附，光催化降解有機(jī)物，減輕污染損害。技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)通過(guò)添加功能材料等各種手段，利用常壓干燥制備出塊狀氣凝膠及其復(fù)合材料；擴(kuò)大氣凝膠制備技術(shù)的應(yīng)用范圍，探索新的、成本低的氣凝膠合成原料，優(yōu)化具有規(guī)模推廣的硅基復(fù)合氣凝膠材料的常溫常壓制備方法，為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)；作品適用范圍適用于開(kāi)闊水域（河面、湖面等）的污水處理?？赏茝V到工業(yè)污水、河流斷面污水治理等重要領(lǐng)域。推廣前景及市場(chǎng)分析具有低成本、高性能、易回收等優(yōu)越性能的氣凝膠復(fù)合材料對(duì)水處理的良好效果，必將在工業(yè)企業(yè)的污水處理中起著至關(guān)重要的作用，使污染處理過(guò)程更加環(huán)境友好，因此在這方面進(jìn)行系統(tǒng)的探索、研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)制備使用量小、處理成本低、降解效果顯著的高效氣凝膠復(fù)合材料，有助于相關(guān)流域的超標(biāo)河流的污染治理和溢油等化學(xué)品的快速、徹底處理，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 氣凝膠在聲阻抗耦合材料、高效高能電極、隔熱保溫材料、催化劑及其載體等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。SiO2氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚物分子相互交聯(lián)構(gòu)成的具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)納米多孔材料，具有納米結(jié)構(gòu)、大比表面積(最高可達(dá)800～1000 m2/g)、高孔隙率(可高達(dá)80％～99.8％)、低密度(目前最低可達(dá)1 mg/cm3)等特點(diǎn)。 20世紀(jì)30年代初斯坦福大學(xué)Kistle通過(guò)水解水玻璃制得了硅基氣凝膠，但因制備工藝復(fù)雜和產(chǎn)品純化難而未得到發(fā)展。70年代后期，Teichner等正硅酸甲酯代替Kistle所使用的水玻璃，在超臨界甲醇條件下制備出高質(zhì)量的硅基氣凝膠。80年代，伯克利實(shí)驗(yàn)室以正硅酸乙酯替代了毒性較大的正硅酸甲酯成功地制備了SiO2氣凝膠。因超臨界干燥工藝耗能高，危險(xiǎn)性大，原材料和設(shè)備昂貴復(fù)雜，難以進(jìn)行連續(xù)性及規(guī)?；a(chǎn)。近年來(lái)，氣凝膠的研究主要集中在德國(guó)、瑞典、美國(guó)、法國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。Knez等人的研究表明：經(jīng)過(guò)疏水改性的SiO2氣凝膠對(duì)水中揮發(fā)性有毒污染物的吸附性能較高，是粒狀活性炭吸附性能的15~400倍，并且在惰性氣體吹脫下氣凝膠可以再生，實(shí)現(xiàn)高效重復(fù)利用20余次。因此，氣凝膠作為吸附材料脫除環(huán)境有機(jī)污染物是完全可行的，與其他吸附材料相比（如吸附棉），氣凝膠不僅吸附容量大，而且可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，避免使用消油劑浪費(fèi)溢油及二次污染問(wèn)題，一步回收實(shí)現(xiàn)油品的深度處理。由于氣凝膠連續(xù)的介孔網(wǎng)絡(luò)有利于反應(yīng)分子的流動(dòng)，容易使反應(yīng)分子進(jìn)入具有催化活性的內(nèi)表面區(qū)，因此氣凝膠催化催化劑或者作為催化劑載體有助于提高催化效果。此外，以氣凝膠為載體的漂浮型硅基氣凝膠光催化材料不僅具有優(yōu)異的吸附性能，還具有良好的光催化活性，對(duì)水楊酸、苯酚、硝基苯酚、吡啶及氰類化合物具有優(yōu)異的光催化性能。在國(guó)內(nèi)，氣凝膠的研究最早始于同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所，它率先建立了一套氣凝膠制備及若干性質(zhì)測(cè)量的設(shè)備，并和德國(guó)維爾茲堡大學(xué)物理所合作開(kāi)展氣凝膠材料的系統(tǒng)研究。另外北京科技大學(xué)、中科院山西煤化所等高校和科研機(jī)構(gòu)也發(fā)表過(guò)相關(guān)論文。但對(duì)國(guó)內(nèi)對(duì)漂浮型硅基氣凝膠的研究大多處于起步階段，同時(shí)對(duì)其開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)我國(guó)進(jìn)行了封鎖，不可能依靠進(jìn)口技術(shù)來(lái)解決，也就無(wú)法將其應(yīng)用到廢水的污染治理中，因此高性能漂浮型硅基氣凝膠復(fù)合材料的低成本、常壓干燥制備技術(shù)的開(kāi)發(fā)已迫在眉睫，在水處理中的應(yīng)用示范研究也勢(shì)在必行。
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