氣凝膠室內(nèi)空氣凈化材料發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

王成海 崔雅楠 李淑敏

1 前言

氣凝膠是一種密度極小的納米多孔材料，經(jīng)過近幾十年的不斷發(fā)展，目前已制備出硅類、碳類、金屬氧化物類等不同類別的產(chǎn)品。氣凝膠作為一種新型納米多孔材料，其骨架由納米級固體顆粒組成，大量的不規(guī)則納米孔環(huán)繞在骨架的周圍形成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。氣凝膠的獨特結(jié)構(gòu)賦予其低密度、高比表面積、大孔容（孔體積）和低導(dǎo)熱系數(shù)等顯著特性，使其在隔熱保溫、吸附、催化劑載體等方面應(yīng)用均有優(yōu)異表現(xiàn)，可廣泛用于航空航天、管道保溫、綠色建材及空氣凈化等領(lǐng)域[1-3]。

氣凝膠的高孔隙率和介孔尺寸可提供良好的氣體吸附通道，并可通過毛細(xì)管凝聚作用固著被吸附的氣體分子，氣凝膠的高比表面積可以加大氣-固接觸面積和接觸機率，從吸附動力學(xué)方面為氣體吸附提供保障。此外，氣凝膠的納米活性也為氣體吸附提供了大量活性位點，大大提高吸附效率?？傊瑲饽z是一種性能優(yōu)良的氣體吸附材料[4，5]，可用于空氣凈化或工業(yè)煙氣處理，在各類建筑物室內(nèi)、車內(nèi)氣態(tài)污染物去除方面具有良好的應(yīng)用前景。

此外，通過將氣凝膠與各類高效催化劑或光觸媒材料進行復(fù)合改性，制備具有對各種氣態(tài)污染物，尤其是甲醛具有高效吸附和分解能力的新型氣凝膠復(fù)合材料[6，7]。氣凝膠基催化劑可通過吸附及催化降解功能去除室內(nèi)揮發(fā)性有機物（VOCs）、甲醛等氣體污染物，并將甲醛分解成對人體無害的水和二氧化碳。氣凝膠空氣凈化復(fù)合材料可廣泛用于制備空氣凈化器濾料、空氣凈化涂料、汽車空氣過濾材料及其他空氣凈化材料，在空氣凈化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 氣凝膠在室內(nèi)空氣凈化中的應(yīng)用

2.1 氣凝膠空氣凈化吸附材料

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活需求的不斷增多，環(huán)境污染已成為最受關(guān)注的社會問題，因空氣污染導(dǎo)致的各類疾病逐年增多，大量有害物質(zhì)進入水體、大氣和土壤，對人們身體健康造成威脅。吸附法是最常用的氣體污染物處理方法，采用吸附法處理環(huán)境或空氣中的氣態(tài)污染物，可減少對化學(xué)藥品的使用，符合循環(huán)經(jīng)濟及綠色發(fā)展的要求。

氣凝膠納米介孔材料因具有較高的比表面積、優(yōu)異的氣/液吸附性能、良好的循環(huán)穩(wěn)定性及環(huán)境友好等特點，被認(rèn)為是良好的環(huán)境污染物治理材料。氣凝膠產(chǎn)品獨特的孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積，使其在空氣凈化領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[8]。

Wang課題組[9]考察了二氧化硅（SiO2）氣凝膠對6種揮發(fā)性有機物的吸附能力。研究發(fā)現(xiàn)，在氣相條件下，氣凝膠的熱導(dǎo)率對吸附效率和吸附速度有較大影響，其對氣態(tài)污染物的吸附量遠(yuǎn)高于活性炭。Cui等[10]制備了一種氨基修飾SiO2氣凝膠，研究其對二氧化碳（CO2）氣體的吸附效果。研究表明，在25℃條件下，產(chǎn)品對CO2氣體吸附量可達6.97mmol/g。Ulker等[11]合成了具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的S i O2復(fù)合氣凝膠材料，結(jié)果表明，通過制備工藝的調(diào)控，復(fù)合氣凝膠的比表面積從1 025m2/g增加到1 138m2/g，該復(fù)合材料孔隙率高，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，在氣體吸附方面展現(xiàn)了良好的性能。

中國兵器工業(yè)集團公司內(nèi)蒙古金屬材料研究所采用溶膠—凝膠酸堿二步催化法，常壓下干燥制備SiO2氣凝膠。采用該技術(shù)制備的氣凝膠材料密度僅為0.2049g/cm3，孔隙率88.76%，孔徑1～100nm，吸附能力強，對四氯化碳的吸附率比傳統(tǒng)活性炭高11倍。采用該技術(shù)制備的氣凝膠材料可用于控制粉塵微?；蛴泻怏w分子的污染，廣泛應(yīng)用于工業(yè)煙氣處理、室內(nèi)空氣凈化等領(lǐng)域。

2.2 氣凝膠光催化空氣凈化復(fù)合材料

在氣凝膠光催化材料的制備及應(yīng)用中，吸附功能是核心，吸附材料的選擇對氣凝膠光催化材料的應(yīng)用性能有較大影響，尤其是在室內(nèi)污染物濃度很低的情況下，吸附材料的吸附能力對其實際空氣凈化效果有決定性作用。此外，雖然介孔材料可作為性能良好的吸附材料使用，但是一般介孔材料化學(xué)活性差，無催化活性，并且吸附選擇性不高。因此，目前很多研究均集中于對介孔材料進行化學(xué)改性、復(fù)合等，經(jīng)過化學(xué)修飾的介孔材料提高了對污染物的吸附能力和選擇性，并可具備對污染物的降解功能，通過這些技術(shù)手段已制備出諸多新型功能化復(fù)合材料。通常，對于介孔材料的改性也存在一定技術(shù)問題，改性后引入的化學(xué)官能團會在介孔材料的孔道里形成占位，導(dǎo)致材料的孔容積減小，吸附能力降低。此外，其他催化劑材料與介孔吸附材料復(fù)合后會存在催化效率下降的風(fēng)險，同時產(chǎn)品成本會大幅提高。因此，對多功能介孔材料的研究要集中在對介孔材料進行化學(xué)改性，重點是在保持其功能性的基礎(chǔ)上制備出高性價比、低成本的新型復(fù)合材料。

在諸多介孔材料的復(fù)合改性技術(shù)中，研究最多的是將介孔材料與光催化劑進行復(fù)合改性，獲得具有光催化功能的空氣凈化材料。光催化具有效率高、能耗低、無二次污染等顯著優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染治理和空氣凈化，尤其在近幾年愈加被重視，已制備出了性能優(yōu)異的光催化復(fù)合材料。除成本問題外，易團聚問題也限制了催化劑的大規(guī)模應(yīng)用。將粉末類光催化劑負(fù)載在高比表面積載體上被廣泛用于解決光催化劑的分散問題。然而，這種方式也可能會因降低光催化劑的反應(yīng)活性位而使光催化性能大幅降低，在很多方面還需要優(yōu)化和改進。

氣凝膠光催化劑是指內(nèi)部為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中分散介質(zhì)為氣體的納米多孔光催化材料，將高比表面積氣凝膠與催化劑復(fù)合改性能夠很好地解決光催化材料在應(yīng)用中的分散問題，提高催化劑在空氣凈化材料中分布的均一性。通過將氣凝膠材料與光催化技術(shù)結(jié)合，利用氣凝膠的高表面積、多孔結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的物化特性，利用合適的技術(shù)手段，使光催化劑均勻分散并附著在氣凝膠顆粒上，進而增加光催化劑的光接收面，從而達到提高其光催化效率的目的，在環(huán)境治理、能源制備等方面具有潛在應(yīng)用價值。目前，最常見并被廣泛關(guān)注的是氣凝膠基二氧化鈦（TiO2）光催化劑，但整體看氣凝膠復(fù)合光催化材料和技術(shù)尚屬于發(fā)展的初級階段，缺乏系統(tǒng)研究和應(yīng)用數(shù)據(jù)的支撐[12，13]。

Cao等[14]將正硅酸四乙酯和異丙醇鈦作為前驅(qū)體，制備出了TiO2—SiO2氣凝膠。研究表明，TiO2—SiO2氣凝膠對異丙醇和三氯乙烯降解率分別為10.1%和9.7%，而通過將TiO2和SiO2混合制備催化劑對異丙醇和三氯乙烯的降解率僅為0.6%和1.4%。Liu等[15]通過對TiO2—SiO2氣凝膠的研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整TiO2的含量和結(jié)晶度可以優(yōu)化光催化劑的活性。

萬文超等[16]采用了一步冷凍干燥法，將二維氮化碳（C3N4），或氮化硼和二硫化鉬和片狀光催化劑負(fù)載到氧化石墨烯氣凝膠上，形成氣凝膠基可見光光催化劑。研究表明，這種氣凝膠光催化材料對一氧化氮（NO）的降解活性最大為47%，而原始的C3N4粉末對NO的降解活性僅為37%，這充分說明三維氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的多孔構(gòu)造可以增加復(fù)合催化材料的比表面積，進而增加與污染物的結(jié)合點位。此外，這種氣凝膠光催化材料具有很好的穩(wěn)定性，長時間放置和循環(huán)使用也不會影響實際效果。

葉青等[17]采用活性炭纖維、顆粒活性炭和SiO2氣凝膠與摻鐵納米TiO2通過浸涂法制成復(fù)合材料作為吸附劑，用甲醛作為氣體污染物，考查復(fù)合材料的除甲醛功能。結(jié)果表明，較低污染氣體濃度條件下，決定吸附材料吸附性能優(yōu)劣的主要因素為微孔體積，甲醛分子可在微孔中形成毛細(xì)管凝結(jié)，最終實現(xiàn)對低濃度甲醛的捕捉。

2.3 氣凝膠空氣凈化內(nèi)墻涂料

隨著人們生活方式的改變，在室內(nèi)活動時間大大增多，與室內(nèi)環(huán)境有關(guān)的病癥也在逐漸增加。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國每年有十幾萬人死于室內(nèi)污染，80%以上的幼兒白血病患者均與新裝修房屋有關(guān)[18]。眾所周知，室內(nèi)的主要污染源是甲醛，而室內(nèi)甲醛主要來源于裝飾材料，如各種人造地板、裝修涂料，還有部分來自日常生活中如窗簾、沙發(fā)、衣物等。1981年，美國國家職業(yè)安全與衛(wèi)生研究所將甲醛作為可疑致癌物。

為降低甲醛對身體健康的影響，目前行業(yè)內(nèi)普遍采用通風(fēng)換氣、物理吸附、化學(xué)處理、光觸媒技術(shù)等方法進行治理，雖然這些處理方式均能起到降低室內(nèi)甲醛濃度的作用，但大都治標(biāo)不治本，很難從根本上徹底解決室內(nèi)甲醛污染問題。理論上來說，要達到真正意義上的除醛，則需要從包括內(nèi)墻涂料在內(nèi)的室內(nèi)裝修材料出發(fā)，開發(fā)出含醛量極低甚至無醛的產(chǎn)品，同時賦予室內(nèi)涂料產(chǎn)品或其他裝飾材料持續(xù)高效的甲醛處理能力，最終實現(xiàn)邊釋放邊處理的功能，使室內(nèi)甲醛濃度始終保持在安全濃度以下，徹底消除甲醛危害。

由于涂料在室內(nèi)刷涂面積大，與空氣接觸面積大，具有空氣處理的先天優(yōu)勢，因此生產(chǎn)具有除醛劑除味功能的內(nèi)墻涂料成為目前行業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢[19，20]。目前，行業(yè)內(nèi)通常采用在涂料中配加多孔類材料如硅藻土、沸石、硅酸鈣等，或向涂料體系中配加光觸媒類相關(guān)產(chǎn)品，賦予涂層吸附和光催化降解甲醛的功能。但整體看，這類產(chǎn)品要么價格昂貴，要么除醛效果不顯著，市場上缺乏高性價比的空氣凈化涂料產(chǎn)品。

氣凝膠是一種高比表面積的介孔材料，吸附能力極強，從產(chǎn)品特性上來說比較適于空氣凈化內(nèi)墻涂料的制備，但目前行業(yè)內(nèi)的研究大都集中于保溫涂層或反射隔熱涂料的研制方面[21]，很少關(guān)注其空氣凈化功能[22]。

白麓楠[23]制備了以SiO2氣凝膠和氧化鎢系（WOx）—TiO2復(fù)合光催化材料為主要無機添加劑的空氣凈化涂料，研究了SiO2氣凝膠/（WOx— TiO2）空氣凈化涂料對甲醛氣體的降解能力。結(jié)果表明，吸附光催化劑占涂料的5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），SiO2氣凝膠與WOx—TiO2復(fù)合光催化粒子質(zhì)量比為2∶1和1∶1時，具有較好的吸附光催化降解性能，3h內(nèi)的甲醛去除率可達84.6%，表現(xiàn)出優(yōu)異的空氣凈化除醛功能。

華陽新材料科技集團依托其擁有的氣凝膠粉體及氣凝膠涂料生產(chǎn)技術(shù)，已成功研發(fā)出具有除醛功能的氣凝膠內(nèi)墻涂料，經(jīng)國家建材檢驗認(rèn)證集團測試，產(chǎn)品的甲醛凈化率達92%，甲醛凈化持久性達87%，對甲醛的凈化效率和甲醛凈化持久性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建材行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)——《室內(nèi)空氣凈化功能涂覆材料凈化性能》（JC/ T1074-2008）的要求。

3 主要存在問題

作為一種新興的功能材料，氣凝膠在空氣污染物治理方面具有傳統(tǒng)材料無法比擬的優(yōu)勢，擁有十分廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。但氣凝膠空氣凈化材料整體發(fā)展處于初級階段，還存在諸多問題，仍需從以下幾方面進行改進：

①與傳統(tǒng)空氣凈化材料相比，氣凝膠基空氣凈化材料價格昂貴，極大限制了其在行業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用，因而低成本生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)將直接決定材料的應(yīng)用規(guī)模。

②近些年來，隨著制備工藝和生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進，氣凝膠光催化劑的被廣泛關(guān)注，但總體來看，現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝普遍存在能耗高、生產(chǎn)效率低以及制備過程易產(chǎn)生環(huán)境污染等問題，進而在很大程度上限制了氣凝膠光催化劑的發(fā)展及應(yīng)用。因此，開發(fā)環(huán)境友好、低成本的氣凝膠光催化材料的制備方法對于氣凝膠材料的大規(guī)模應(yīng)用意義重大。

③光催化材料與氣凝膠復(fù)合，一般是利用氣凝膠的高比表面積，將光催化劑分散在氣凝膠顆粒表面上，但是氣凝膠和催化劑之間結(jié)合穩(wěn)定性差，并且氣凝膠本身的特性也會影響催化劑活性，進而會影響催化效率的穩(wěn)定性，因而開發(fā)高效、催化活性穩(wěn)定的氣凝膠基光催化材料仍是今后研究工作的重點。

④目前大多數(shù)研究僅僅局限于氣凝膠材料的制備、氣凝膠與催化劑的復(fù)合等理論方面，在凈化空氣方面的應(yīng)用研究較少，很多空氣凈化領(lǐng)域均未涉及，今后仍需拓展應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。隨著氣凝膠生產(chǎn)工藝的不斷優(yōu)化，氣凝膠基空氣凈化材料將會在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語

為加快推進氣凝膠材料在空氣凈化領(lǐng)域中的應(yīng)用，拓展氣凝膠復(fù)合材料在空氣凈化中的應(yīng)用途徑，還需從以下方面深入研究：①優(yōu)化氣凝膠制備工藝及改性復(fù)合技術(shù)，獲得低成本、多功能氣凝膠材料；②開展對不同功能材料的加入對氣凝膠材料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、物化特性以及其他性能影響規(guī)律的研究，實現(xiàn)氣凝膠復(fù)合材料性能的可控性，針對不同目標(biāo)污染物制備出不同孔徑和孔結(jié)構(gòu)的產(chǎn)能品，提高空氣凈化效率；③合成新型多維納米材料，并提高表面化學(xué)活性及結(jié)構(gòu)強度，以獲得具有多功能性且可重復(fù)利用的氣凝膠復(fù)合材料；④制備基于氣凝膠的高活性、高穩(wěn)定性催化劑材料，研究其在氣態(tài)污染物治理領(lǐng)域的應(yīng)用。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.012

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