改性粉煤灰基氣凝膠復(fù)合材料的制備及其吸附二氧化碳研究綜述

中圖分類號(hào)： TQ050.4+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1004-0935（2025）07-01258-03

截至2024年年底，我國粉煤灰的排放量達(dá)到9.25億t-3]。粉煤灰可用于燒制磚塊，按照一定的比例將粉煤灰與黏土混合攪拌均勻，燒制成強(qiáng)度足夠的磚4。目前，粉煤灰的處理方式以填埋、堆放為主，粉煤灰的堆積不僅占用土地資源，還對(duì)環(huán)境、人體造成負(fù)面影響[7-8。研究者通過溶膠-凝膠法、超臨界干燥等技術(shù)制備了具有高孔隙率、大比表面積的粉煤灰基氣凝膠復(fù)合材料，這些材料在 CO₂ 吸附方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能。探索粉煤灰基氣凝膠在工業(yè)煙氣脫碳、溫室氣體減排等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，以期來推動(dòng)粉煤灰資源化利用[-10]

粉煤灰的特性

粉煤灰粒徑一般為 1～100μm ，大部分粉煤灰呈表面光滑的球狀。這種特性造就了其比表面積較大，具有一定的吸附能力。一般是將原煤經(jīng)過磨礦機(jī)加工后得到 100pum 以下的粉體，通過在高溫燃燒過程后夾雜在煙氣中的細(xì)小顆粒物，經(jīng)集塵裝置捕集得到的灰褐色粉末混合材料[11-15]。粉煤灰主要成分見表1。

2 改性粉煤灰基氣凝膠復(fù)合材料的制備方法

2.1 溶膠-凝膠法

溶膠凝膠法是指金屬有機(jī)或無機(jī)化合物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理而形成氧化物或其他化合物固體的方法[16-25]。李建平等[13]采用溶膠-凝膠法和水熱法制備了核殼結(jié)構(gòu)的 Fe₃O₄@SiO₂@ 介孔 TiO₂ （FST）復(fù)合光電催化劑，其對(duì)甲基橙廢水具有良好的去除效果。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度（200、250、300和 350°C ）的增加，薄膜由非晶態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)，且薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于致密化。當(dāng)施加正向電壓時(shí)嵌入的離子無法在短時(shí)間內(nèi)脫離出來，使得薄膜的光學(xué)性質(zhì)難以恢復(fù)到初始的狀態(tài)，造成著色褪色響應(yīng)速度下降，導(dǎo)致光學(xué)對(duì)比度不同程度降低。美國ResearchNanomaterial公司采用溶膠凝膠法合成了一種基于Bis-GMA/TEGDMA樹脂的新型牙科復(fù)合材料。該方法保證了填料的均勻分散，有效地防正了其在制備過程中的團(tuán)聚。

2.2 超臨界干燥法

超臨界干燥是將凝膠中的溶劑（如乙醇等）通過與超臨界氣體二氧化碳進(jìn)行交換，然后在超臨界狀態(tài)下將二氧化碳緩慢釋放，最后得到其所需的氣凝膠材料。李建平等3以正硅酸乙酯為硅源，采用酸堿二步溶膠□凝膠法及 CO₂ 超臨界干燥工藝制備SiO₂ 氣凝膠復(fù)合材料，研究超臨界 CO₂ 萃取干燥條件下制備親水型 SiO₂ 氣凝膠的方法和途徑。結(jié)果表明，采用頂部進(jìn)氣的 CO₂ 超臨界干燥設(shè)備能制備出更具優(yōu)勢(shì)的吸附材料[2]。研究者通過采用超臨界 CO₂ 干燥技術(shù)獲得氣凝膠和保持多孔結(jié)構(gòu)。國外學(xué)者還發(fā)現(xiàn)硫脲在凝膠形成中的使用導(dǎo)致了較低的孔隙率

2.3 常壓干燥法

常壓干燥法是指通過化學(xué)改性等手段降低凝膠干燥過程中的表面張力。楊周元使用三甲基氯硅烷（TMCS）等有機(jī)硅烷對(duì)濕凝膠進(jìn)行表面修飾。在濕凝膠形成后，將其浸泡在含有TMCS的有機(jī)溶劑（如正己烷）溶液中。TMCS與凝膠表面的羥基發(fā)生反應(yīng)，將親水的羥基轉(zhuǎn)化為疏水的烷基，降低了表面能。然后在常壓下進(jìn)行干燥，得到二氧化硅氣凝膠[27-1]。在 1 000°C 煅燒后，該比表面積仍保持在 273.099m²?g^-1 ，顯著高于未添加鋁溶膠的樣品（ 16.082m²?g^-1 ）。機(jī)理分析表明，鋁溶膠的加入抑制了 SiO₂ 氣凝膠的相轉(zhuǎn)變，酸性硅溶膠和鋁溶膠顆粒均增強(qiáng)了氣凝膠的結(jié)構(gòu)，顯著提高了氣凝膠的耐高溫性能。

2.4冷凍干燥法

冷凍干燥法是將濕凝膠先冷凍，使溶劑變成固態(tài)冰，然后在真空條件下使冰直接升華，從而避免了液態(tài)溶劑蒸發(fā)產(chǎn)生的表面張力問題而使氣凝膠塌陷的問題[32-36。具體操作首先將濕凝膠快速冷凍，冷凍速度會(huì)影響冰晶的大小和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響氣凝膠的最終結(jié)構(gòu)。一般操作是將冷凍后的樣品放入真空冷凍干燥機(jī)中，在低溫、真空條件下使冰升華，得到氣凝膠。這種方法一般在生物基氣凝膠有較大的應(yīng)用，原因是其在制備過程中可以較好地保留生物材料的結(jié)構(gòu)和活性成分[37-40]。國外學(xué)者采用冷凍干燥法制備了以碳為纖維結(jié)合點(diǎn)的 ZrO₂ 納米纖維氣凝膠。系統(tǒng)研究了間苯二酚-甲醛（RF）含量和纖維含量對(duì) Zr0₂/C 納米纖維氣凝膠孔結(jié)構(gòu)、熱性能和壓縮性能的影響。 Zr0₂/C 納米纖維氣凝膠具有 99.4% 以上的超高孔隙率，且具有微尺度蜂窩狀孔和納米級(jí)小孔的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)。RF含量和纖維含量對(duì) Zr0₂/C 納米纖維氣凝膠的孔隙率、熱導(dǎo)率和平臺(tái)應(yīng)力均有影響。熱導(dǎo)率為 0.0332～0.0360 隨著RF含量或纖維含量的增加，熱導(dǎo)率和平臺(tái)應(yīng)力均增加。研究也發(fā)現(xiàn)在 Zr0₂/C 納米纖維氣凝膠的熱傳遞和壓縮過程中，纖維結(jié)起著重要作用。

3 改性粉煤灰基氣凝膠復(fù)合材料吸附二氧化碳研究

改性粉煤灰基氣凝膠復(fù)合材料具有多孔結(jié)構(gòu)，其孔隙大小從微孔到介孔不等。二氧化碳分子可以在這些孔隙中發(fā)生物理吸附，根據(jù)范德瓦耳斯力吸附在氣凝膠的內(nèi)表面。這種吸附是可逆的，吸附量與溫度、壓力等因素有關(guān)。溫度對(duì)吸附性能有顯著影響[41-43]。一般來說，物理吸附在低溫下更為有利，因?yàn)殡S著溫度升高，二氧化碳分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，范德瓦耳斯力作用減弱，導(dǎo)致物理吸附量逐漸減少。此外，粉煤灰的含量、氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)及改性劑的種類和含量等都會(huì)影響粉煤灰氣凝膠吸附 CO₂ 性能[44-4。例如，較高的粉煤灰含量可能會(huì)增加復(fù)合材料的比表面積，但如果含量過高可能會(huì)堵塞孔隙，降低吸附性能。氣凝膠的孔隙率越高、孔徑分布越合適，越有利于二氧化碳的擴(kuò)散和吸附。所以在吸附過程中應(yīng)選取適宜的條件進(jìn)行吸附，這樣才能獲得更大效率的吸附量。同時(shí)， CO₂ 捕集已經(jīng)成為當(dāng)前重大科技發(fā)展方向。固體吸附劑吸附法在 CO₂ 的捕集過程中應(yīng)用廣泛，其中 SiO₂ 氣凝膠具有成本低、合成方法靈活、分離效率高、表面易修飾等優(yōu)點(diǎn)。然而， SiO₂ 氣凝膠材料也存在 CO₂/N₂ 吸附選擇性低，CO₂ 吸附容量有待繼續(xù)提高等缺陷。為解決上述問題，國內(nèi)學(xué)者制備了1種 Cu-BTC@SiO₂ 復(fù)合氣凝膠CO₂ 吸附材料，通過 CO₂ 吸附測(cè)試對(duì)其 CO₂ 吸附量、選擇性吸附、循環(huán)吸附進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，Cu-BTC與 SiO₂ 氣凝膠具有結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，與Cu-BTC復(fù)合后的 SiO₂ 氣凝膠不會(huì)改變材料SiO-Si骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以保持Cu-BTC的晶體結(jié)構(gòu)不受到損壞。

4結(jié)論

本文有助于深入理解粉煤灰基氣凝膠復(fù)合材料的制備工藝和吸附機(jī)理，為新型吸附材料的開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。同時(shí)，通過探索不同制備條件和吸附條件對(duì)材料性能的影響，揭示材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為材料科學(xué)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

環(huán)保意義。粉煤灰基氣凝膠復(fù)合材料的制備及其吸附二氧化碳的研究，有助于解決燃煤發(fā)電過程中的環(huán)境污染問題，減少粉煤灰的堆積問題，減少二氧化碳的排放及緩解氣候變化。通過實(shí)現(xiàn)粉煤灰的資源化利用和二氧化碳的有效捕集，為環(huán)保事業(yè)做出貢獻(xiàn)，推動(dòng)綠色、低碳、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

經(jīng)濟(jì)意義。傳統(tǒng)的二氧化碳捕集技術(shù)成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。粉煤灰基氣凝膠復(fù)合材料作為一種新型吸附材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。通過將其應(yīng)用于二氧化碳捕集、廢氣處理等領(lǐng)域，可以帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。該研究為粉煤灰的綜合利用提供了新的方向，可促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值

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A review of the Preparation of Modified Fly Ash-Based Aerogel Composites and Their Adsorption of Carbon Dioxide

ZHAO Jing， WANG Zhixue， SUN Yaohua， WEI Xian， KANG Xiaozhen， LIU Dong （Lanzhou Petrochemical UniversityofVocational Technology，Lanzhou Gansu 736ooo，China）

Abstract：Asanewadsorptionmaterial，flyash basedaerogelcompositehaspotential excellentadsorptionperformance.The preparation offlyashbased aerogelcompositesandtheresearchonitsadsorptionofcarbon dioxide willnotonlyhelpsolve the environmental poutionproblemssuchastheaccumulationand infiltrationofalarge amountofflyashinthe procesofcoal-fired power generation，butalsocontributetoenvironmental protectionandsustainabledevelopment.Toimprovethecomprehensive utilizationrateofflyashndreducecarbondioxideemissons，andpromoteagree，owcarbon，andcirulardevelopmentodel. Keywords：Fly ash;Aerogel; Carbon dioxide;Adsorption

基金項(xiàng)目：2024年國家級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202416209005）；2024年高校教師創(chuàng)新基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2024A-237）；2021年甘肅省教育廳產(chǎn)業(yè)支撐項(xiàng)目：高氯廢水處理及減排回用的技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)：2021CYZC-66）。收稿日期：2024-11-06作者簡介：趙靜（2005-），女，研究方向：化學(xué)工藝。通信作者：王志學(xué)（1996-），男，研究方向：環(huán)境礦物材料。