氣凝膠是一種結(jié)構(gòu)可控的納米多孔材料，是由氣體取代液體在凝膠中的位置制造而成，因此具有輕質(zhì)、高比表面積、高孔隙率等特點(diǎn)，其擁有許多俗名：凍結(jié)的煙霧（frozen smoke）、固態(tài)的煙霧（solid smoke）等等。

由于這些神奇的結(jié)構(gòu)，氣凝膠在熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等方面具有特殊的性能。尤其在石油的勘探、開采、運(yùn)輸和加工過程中，氣凝膠更能作為一種優(yōu)良的吸收劑去有效和選擇性地吸收那些由于事故或技術(shù)原因而泄漏的石油，在這個(gè)過程中，被吸附物可以從一個(gè)孔流向另一個(gè)孔，最后充滿整個(gè)多孔材料，避免嚴(yán)重的環(huán)境后果發(fā)生。

掃描電鏡下，可以看清氣凝膠中復(fù)雜繁多的孔道結(jié)構(gòu)

不過不同材質(zhì)之間的氣凝膠在吸附性能上存在差別，若想通過氣凝膠解決類似的環(huán)境污染問題，首先就要甄選出吸附能力強(qiáng)且具有經(jīng)濟(jì)適用性的材質(zhì)是什么。以下便是科學(xué)家對(duì)不同材質(zhì)氣凝膠吸附性能測(cè)試后的結(jié)果。

1、二氧化硅氣凝膠

二氧化硅(SiO₂)氣凝膠是迄今為止研究最多和使用最廣泛的氣凝膠類型。它無毒、無味、無污染、顆粒尺寸小、比表面積大，是一種低密度的無機(jī)非金屬多孔材料。作為吸附劑時(shí)可吸附污水中的重金屬離子、油污色素等，穩(wěn)定性高，可在苛刻環(huán)境中使用，可重復(fù)使用且不會(huì)造成二次污染。

油水混合物吸附以及吸附-脫附靜態(tài)圖片

雖然SiO₂氣凝膠具有制備方法簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，不過SiO₂氣凝膠作為多孔材料用于污水處理存在兩個(gè)主要問題：一是，表面親水性的羥基基團(tuán)難以將有機(jī)污染物從污水中分離出來；二是，SiO₂氣凝膠結(jié)構(gòu)脆弱，不利于實(shí)際使用。因此為了增強(qiáng)其使用性能，一般會(huì)通過改性、復(fù)合的方法，以便得到更好的力學(xué)性能，便于重復(fù)利用。不過SiO₂氣凝膠的吸附性能依舊其他氣凝膠材料存在較大的差距。因此，提高吸附率是SiO₂氣凝膠未來研究的重點(diǎn)。

2、碳納米管氣凝膠

碳納米管(CNTs)包含單壁碳納米管(SWNTs)和多壁碳納米管(MWNTs)兩類，CNTs的吸附性能取決于CNTs的純度、孔隙率、比表面積 及其表面官能團(tuán)的種類。CNTs由于封閉的分子結(jié)構(gòu)，具有大的表面能，極強(qiáng)的疏水性和較強(qiáng)的范德華作用力，使其不溶于水和有機(jī)溶劑。因此，需要對(duì)其表面進(jìn)行功能改性，才有利于發(fā)揮CNTs吸附性能。

北航李敏教授和中科院蘇州納米所李清文研究員共同研發(fā)的大批量超輕碳納米管氣凝膠制備工藝

研究表明，氨基、羧基、羥基和硫醇等官能團(tuán)的引入可以提高CNTs的吸附性能。此外，將CNTs制成氣凝膠納米材料，以便賦予其較高的孔隙率和較大的比表面積，使其吸附性能得到進(jìn)一步提高。

3、氮化硼氣凝膠

氮化硼(BN)具有與碳類似的晶格結(jié)構(gòu)，BN氣凝膠超輕，密度小于空氣，是一類以固體為骨架、氣體為分散介質(zhì)的具有三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型納米，它良好的疏水親油性保證了吸附水中有機(jī)溶劑的能力，并呈現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)和高效的特點(diǎn)。

六方氮化硼分子結(jié)構(gòu)示意圖

合成BN氣凝膠的方法主要有硬模板法、軟模板法、低微BN組裝法、無模板法等。硬模板法制得的ＢＮ氣凝膠的比表面積可達(dá)1100m²/g，無模板法制得的BN氣凝膠的比表面積可達(dá)1900m²/g。因此，BN氣凝膠超高的比表面積賦予了其優(yōu)異的吸附性能，同時(shí)，還具有可壓縮、耐高溫等特性，可以通過壓縮或燃燒實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

BN氣凝膠的吸油及燃燒再利用過程

石墨烯氣凝膠

石墨烯(GO)氣凝膠，是一種高強(qiáng)度氧化氣凝膠，具有高彈性、強(qiáng)吸附、低密度、大比表面的特點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)由石墨烯片層三維搭接、組裝形成，具有三維連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此繼承了石墨烯和氣凝膠高比表面積、高孔隙率、高電導(dǎo)率以及良好的熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)研究，石墨烯氣凝膠(GA)可以吸附很多物質(zhì)，如甲醛、丙酮和染料等有機(jī)污染物（下圖）等等。

石墨烯氣凝膠吸附性能

GA的常見制備方法有模板法、水熱還原法和溶膠凝膠法等。石墨烯的芳環(huán)陣列會(huì)使其片層之間產(chǎn)生共軛，容易團(tuán)聚，并且石墨烯缺乏功能基團(tuán)，分散困難，很難直接作為一種高效吸附劑使用，因而需要對(duì)GA進(jìn)行表面改性或者與其他材料復(fù)合才能作為一種高效的吸附劑使用。

纖維素氣凝膠

纖維素是一種在自然界中貯藏豐富的多糖，以各種形式的纖維素為原料，通過冷凍干燥或超臨界干燥制得的氣凝膠具有高孔隙率、低密度等優(yōu)點(diǎn)。由于纖維素表面的羥基具有親水性，制得的纖維素氣凝膠不能直接用于水處理，需要進(jìn)行表面疏水改性。

其中，烷基化是纖維素氣凝膠進(jìn)行疏水改性的一個(gè)重要方法。Feng等以廢紙為原料，以MTMS為改性劑，通過冷凍干燥法成功研制出一種生物相容性優(yōu)異的纖維素氣凝膠。制得的氣凝膠對(duì)油類具有很好的吸附能力，最高吸附率為95g/g，且該氣凝膠可實(shí)現(xiàn)回收再利用，有望取代環(huán)境不友好的聚合物基吸油劑。

纖維素氣凝膠吸油過程

復(fù)合材質(zhì)氣凝膠

在材料學(xué)界，把不同材料進(jìn)行復(fù)合是一種很常見的做法，往往可以發(fā)揮出不同材料的優(yōu)勢(shì)同時(shí)規(guī)避短處，氣凝膠的研發(fā)同樣也不例外。

不久前在開放獲取期刊Polymers上的一篇文章中，就有研究人員報(bào)告了一種由可重復(fù)使用、仿生和疏水的石墨烯/聚乙烯醇/纖維素納米纖維氣凝膠制成的除油吸收劑的開發(fā)。其中，纖維素本身是一種低成本制備氣凝膠的天然材料，但它的機(jī)械性能欠佳，因此使用了聚乙烯醇（PVA）來增強(qiáng)，添加石墨烯則是利用它的可壓縮性。

在這三種組分的協(xié)同作用下，這種新型氣凝膠對(duì)于多種有機(jī)溶劑具有較高的吸附能力，同時(shí)還突出的可壓縮性，可采用簡(jiǎn)單的機(jī)械擠壓方法可以快速、有效地回收90%以上吸收的油脂，并且具有良好的可重復(fù)使用的穩(wěn)定性。

結(jié)語

總的來說，氣凝膠這種具有疏水性、成本低、制備簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)的材料，在清潔污水和有機(jī)溶劑方面確實(shí)具有很大的潛力。但目前相關(guān)工作都處于開發(fā)階段，無論是什么材質(zhì)的氣凝膠都多少存在一定的不足。不過綜合比較的話，GA和纖維素氣凝膠還是比較有希望成為污水處理中首選的高效吸附劑的。

資料引用：

宋梓豪,楊明,童風(fēng)雨,等. 污水處理用氣凝膠的研究進(jìn)展[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2022,44(1):1-9. DOI:10.3969/j.issn.1671-7627.2022.01.001.

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