一種在氣凝膠材料中負載易升華物質的方法與流程

本發明屬于環保領域或復合材料領域，具體涉及一種在氣凝膠材料中負載易升華物質的方法。

背景技術：

隨著人類工業化進程的推進，地球資源日益枯竭，人們在急于尋找新型能源的同時，加倍關注對已有能源的可循環利用。另外使用化石燃料導致的環境污染問題也被環保人士及科學家們飽受詬病。我國自上世紀八十年代以來，國民經濟快速發展的同時，資源枯竭與環境污染的問題也日益突顯。我國作為煤炭大國，煤炭資源占總資源儲量的一半以上，而煤炭資源在開采、加工、發電應用中常常伴隨著巨大的廢棄物，其產生的工業三廢(廢渣、廢水、廢棄)一直以來是我國工業綠色改革、可循環發展的關鍵問題。

氣凝膠材料，又稱為干凝膠。當凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網狀結構中充滿的介質是氣體，外表呈固體狀，這即為干凝膠，也稱為氣凝膠。氣凝膠是一種固體物質形態，世界上密度很小的固體之一。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國科學工作者Kistler在1931年因與其友打賭制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。氣凝膠材料在分形結構研究領域、隔熱材料研究領域、隔音材料研究領域都具有重要的研究價值。

近年來，在儲能材料領域，碳氣凝膠作為新型導電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以后發展起來的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積(600-1000m²/kg)和高電導率(10-25s/cm)。而且，密度變化范圍廣(0.05-1.0g/cm³)。如在其微孔洞內充入適當的電解液，可以制成新型可充電電池，它具有儲電容量大、內阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重復使用等優異特性，初步實驗結果表明：碳氣凝膠的充電容量達3×10⁴/kg²，功率密度為7kw/kg，反復充放電性能良好，被廣泛應用于電化學、催化和環境保護等各個領域。

現有的氣凝膠負載單質易升化物質的方法主要有：

(1)吸附法：將氣凝膠材料進行壓塊封裝組成吸附袋或吸附模塊，利用其優異的表面吸附能力將通過的含易升化物質廢氣中的易升化物質元素進行吸附。該方法雖然工藝簡單，但未能充分利用氣凝膠高比表面積及孔容，易中毒，負載易升化物質效率低下。

(2)溶劑交換法：將易升化物質單質溶解于乙醇、乙醚、二硫化碳、四氯化碳、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、環己烷、甲苯和苯有機溶劑中，將上述溶劑浸漬氣凝膠材料，再將有機溶劑蒸發后，單質易升化物質重新析出負載在氣凝膠材料中。但該方法中有機溶劑難以進入微孔結構，導致負易升化物質不充分且不夠均勻，且有機溶劑多有毒性，蒸發后需要回流冷凝以回收利用，導致工藝復雜，成本難以下降。

(3)化學法：將易升化物質的反應原料溶解在溶劑中，再將氣凝膠材料分散在該溶劑中，在一定條件下激發反應，反應生成單質易升化物質顆粒負載在氣凝膠材料中。但該方法中有機溶劑難以進入微孔結構，導致易升化物質負載不充分且不夠均勻，且需經過控制條件以發生化學反應，反應精度難以控制，工藝復雜，成本高。

(4)熱處理法：將單質易升化物質和氣凝膠材料按照一定比例混合，攪拌球磨后密封于特制容器中，抽真空或通入惰性氣氛保護，再送入熱處理爐中在40-150℃處理1-8小時，再加熱到300℃以上處理1-3小時，去除未復合良好的多余單質易升化物質，隨爐冷卻至室溫，即可完成氣凝膠負載單質易升化物質工藝。這種方法工藝條件較為苛刻，負載時間較長，難以實現自動化工藝。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種在氣凝膠材料中負載易升華物質的方法，該方法負載易升化物質量高且易升化物質單質分布均勻，環保綠色。

本發明所采用的技術方案是，一種在氣凝膠材料中負載易升華物質的方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1，將單質易升華物質放入活塞密封氣缸底部，單質易升華物質上部疊放氣凝膠材料，裝入活塞；

步驟2，排出氣缸內及氣凝膠材料中的空氣，然后通過氣缸出口通入惰性氣體；

步驟3，密封氣缸出口，快速推壓活塞，氣缸內的惰性氣體由于驟然壓縮而升溫，致使易升化物質單質受熱升華，并在活塞壓力下進入氣凝膠材料的孔道之中；

步驟4，快速抽拉活塞至氣凝膠材料初始長度，惰性氣體因體積膨脹溫度下降，隨著溫度的下降，氣相易升化物質凝結形成納米級顆粒，并均勻分散在氣凝膠材料的孔道中；

步驟5，重復2-4步操作，即獲得高易升化物質負載量的氣凝膠材料。

本發明的特點還在于，

步驟1中氣凝膠材料與單質易升華物質的質量比為1：4-5。

氣凝膠材料為碳氣凝膠材料或硅氣凝膠材料。

單質易升華物質為硫、碘、萘或三氯化鋁中的一種或多種混合物。

步驟2中惰性氣體為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣或氙氣中的一種或多種混合物。

步驟3中氣缸內惰性氣體壓縮比為2-10。

步驟3中活塞推壓速度為0.2-1m/s。

本發明的有益效果是，本發明在氣凝膠材料中負載易升華物質的方法，具有以下特點：

(1)綠色環保：本發明通過將單質易升化物質氣化后在氣凝膠材料內部凝結實現負載易升化物質，無需熱源加熱，無廢棄物產生；

(2)易升化物質負載高效均勻：負載前將氣凝膠材料內部空氣排出，更有利于氣相易升化物質進入氣凝膠的多級孔道結構中，充分發揮氣凝膠材料的結構優勢，另一方面由于氣相易升化物質冷卻速度快，凝固后顆粒粒徑細小，從而優化氣凝膠負載易升化物質的均勻程度；

(3)工藝簡便可控：本發明負載方法簡單，通過控制推拉次數就可以調節氣凝膠材料的負載量，另外本發明方法易于擴大、自動化，若能提供源源不斷的易升化物質來源和連續更換的氣凝膠材料即可實現自動化連續批量生產。

綜上所述，本發明提出了一種簡便易操作、易于自動化的氣凝膠材料負載單質易升化物質的方法，且獲得的易升化物質/氣凝膠復合材料具有負載量高、分布均勻的特性，該發明可用于含有易升化物質的工業廢氣的高效處理，也可以用于制備均勻高效復合的新型復合材料。

附圖說明

圖1是本發明方法的工藝示意圖；

圖2是實施例1中所使用碳凝膠材料的掃面電鏡圖；

圖3是按實施例1制備的單質硫/碳氣凝膠復合材料的熱重曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明在氣凝膠材料中負載易升華物質的方法，具體工藝如圖1所示，具體按照以下步驟實施：

步驟1，將單質易升華物質放入活塞密封氣缸底部，單質易升華物質上部疊放氣凝膠材料，裝入活塞；氣凝膠材料與單質易升華物質的質量比為1：4-5；氣凝膠材料為碳氣凝膠材料或硅氣凝膠材料；單質易升華物質為硫、碘、萘或三氯化鋁中的一種或多種混合物；

步驟2，排出氣缸內及氣凝膠材料中的空氣，然后通過氣缸出口通入惰性氣體(惰性氣體為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣或氙氣中的一種或多種混合物)，直至氣缸內惰性氣體壓縮比為2-10；

步驟3，密封氣缸出口，以推壓速度為0.2-1m/s快速推壓活塞，氣缸內的惰性氣體由于驟然壓縮而升溫，致使易升化物質單質受熱升華，并在活塞壓力下進入氣凝膠材料的孔道之中；

步驟4，快速抽拉活塞至氣凝膠材料初始長度，惰性氣體因體積膨脹溫度下降，隨著溫度的下降，氣相易升化物質凝結形成納米級顆粒，并均勻分散在氣凝膠材料的孔道中；

步驟5，重復2-4步操作，即獲得高易升化物質負載量的氣凝膠材料。

實施例1

(1)預處理所使用的容器導管：將所使用的氣缸和活塞使用去離子水清洗后一并放入鼓風干燥箱中80℃下干燥10h，去除表面水分；

(2)將5g升華硫放入活塞密封氣缸底部，其上疊放1g碳氣凝膠材料，裝入活塞；

(3)推壓活塞致氣缸底部，徹底排出氣缸內及碳氣凝膠中的空氣，將氣缸出口連接氮氣，抽拉活塞充入氮氣至壓縮比為2；

(4)密封氣缸出口，快速推壓活塞，推壓速度為0.2m/s，氣缸內的氮氣由于驟然壓縮而升溫，致使升華硫受熱升華，并在活塞壓力下進入碳氣凝膠材料的孔道之中；

(5)快速抽拉活塞至碳氣凝膠材料初始長度，氮氣因體積膨脹溫度下降，氣態升華硫凝結形成納米級顆粒，并均勻分散在碳氣凝膠材料的孔道中；

(6)拉出活塞，取出復合材料，即獲得高負載量的硫/碳氣凝膠復合材料。

圖2為實施例1中所使用碳氣凝膠的掃描電鏡照片，從圖2中可見碳氣凝膠為三維自組裝結構，具有大量多級孔道結構，能夠有效吸附易揮發物質。

圖3為實施例1獲得的硫/碳氣凝膠復合材料和碳氣凝膠材料的熱重曲線，從圖3中對比可見所制備的硫/碳氣凝膠復合材料的載硫量達到75％。

實施例2

(1)預處理所使用的容器導管：將所使用的氣缸和活塞使用去離子水清洗后一并放入鼓風干燥箱中100℃下干燥24h，去除表面水分；

(2)將20g單質碘放入活塞密封氣缸底部，其上疊放5g硅氣凝膠材料，裝入活塞；

(3)推壓活塞致氣缸底部，徹底排出氣缸內及硅氣凝膠中的空氣，將氣缸出口連接氬氣，抽拉活塞充入氬氣至壓縮比為10；

(4)密封氣缸出口，快速推壓活塞，推壓速度為1m/s，氣缸內的氬氣由于驟然壓縮而升溫，致使單質碘受熱升華，并在活塞壓力下進入硅氣凝膠材料的孔道之中；

(5)快速抽拉活塞至氣凝膠材料初始長度，氬氣因體積膨脹溫度下降，氣態單質碘凝結形成納米級顆粒，并均勻分散在硅氣凝膠材料的孔道中；

(6)重復(3-5)步操作五次，拉出活塞，取出復合材料，即獲得高負載量的碘/硅氣凝膠復合材料。

實施例3

(1)預處理所使用的容器導管：將所使用的氣缸和活塞使用去離子水清洗后一并放入鼓風干燥箱中90℃下干燥16h，去除表面水分；

(2)將10g單質萘放入活塞密封氣缸底部，其上疊放2g碳氣凝膠材料，裝入活塞；

(3)推壓活塞致氣缸底部，徹底排出氣缸內及碳氣凝膠中的空氣，將氣缸出口連接氮氣氬氣混合氣，抽拉活塞充入氮氣氬氣混合氣至壓縮比為6；

(4)密封氣缸出口，快速推壓活塞，推壓速度為0.6m/s，氣缸內的氮氣氬氣混合氣由于驟然壓縮而升溫，致使單質萘受熱升華，并在活塞壓力下進入碳氣凝膠材料的孔道之中；

(5)快速抽拉活塞至氣凝膠材料初始長度，氮氣氬氣混合氣因體積膨脹溫度下降，氣態單質萘凝結形成納米級顆粒，并均勻分散在碳氣凝膠材料的孔道中；

(6)重復(3-5)步操作三次，拉出活塞，取出復合材料，即可獲得高負載量的萘/碳氣凝膠復合材料。