改性粉煤灰基氣凝膠復合材料的制備及其吸附二氧化碳研究綜述

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

截至2024年年底，我國粉煤灰的排放量達到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，還對環境、人體造成負面影響[7-8。研究者通過溶膠-凝膠法、超臨界干燥等技術制備了具有高孔隙率、大比表面積的粉煤灰基氣凝膠復合材料，這些材料在 CO₂ 吸附方面展現出優異性能。探索粉煤灰基氣凝膠在工業煙氣脫碳、溫室氣體減排等領域的應用潛力，以期來推動粉煤灰資源化利用[-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。一般是將原煤經過磨礦機加工后得到 100pum 以下的粉體，通過在高溫燃燒過程后夾雜在煙氣中的細小顆粒物，經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或無機化合物經過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經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構的 Fe₃O₄@SiO₂@ 介孔 TiO₂ （FST）復合光電催化劑，其對甲基橙廢水具有良好的去除效果。有研究發現，隨著退火溫度（200、250、300和 350°C ）的增加，薄膜由非晶態逐漸轉變為結晶態，且薄膜內部結構趨于致密化。當施加正向電壓時嵌入的離子無法在短時間內脫離出來，使得薄膜的光學性質難以恢復到初始的狀態，造成著色褪色響應速度下降，導致光學對比度不同程度降低。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行交換，然后在超臨界狀態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。結果表明，采用頂部進氣的 CO₂ 超臨界干燥設備能制備出更具優勢的吸附材料[2]。研究者通過采用超臨界 CO₂ 干燥技術獲得氣凝膠和保持多孔結構。國外學者還發現硫脲在凝膠形成中的使用導致了較低的孔隙率

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）等有機硅烷對濕凝膠進行表面修飾。在濕凝膠形成后，將其浸泡在含有TMCS的有機溶劑（如正己烷）溶液中。TMCS與凝膠表面的羥基發生反應，將親水的羥基轉化為疏水的烷基，降低了表面能。然后在常壓下進行干燥，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 ）。機理分析表明，鋁溶膠的加入抑制了 SiO₂ 氣凝膠的相轉變，酸性硅溶膠和鋁溶膠顆粒均增強了氣凝膠的結構，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，使溶劑變成固態冰，然后在真空條件下使冰直接升華，從而避免了液態溶劑蒸發產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，冷凍速度會影響冰晶的大小和結構，進而影響氣凝膠的最終結構。一般操作是將冷凍后的樣品放入真空冷凍干燥機中，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用，原因是其在制備過程中可以較好地保留生物材料的結構和活性成分[37-40]。國外學者采用冷凍干燥法制備了以碳為纖維結合點的 ZrO₂ 納米纖維氣凝膠。系統研究了間苯二酚-甲醛（RF）含量和纖維含量對 Zr0₂/C 納米纖維氣凝膠孔結構、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小孔的多級孔結構。RF含量和纖維含量對 Zr0₂/C 納米纖維氣凝膠的孔隙率、熱導率和平臺應力均有影響。熱導率為 0.0332～0.0360 隨著RF含量或纖維含量的增加，熱導率和平臺應力均增加。研究也發現在 Zr0₂/C 納米纖維氣凝膠的熱傳遞和壓縮過程中，纖維結起著重要作用。

3 改性粉煤灰基氣凝膠復合材料吸附二氧化碳研究

改性粉煤灰基氣凝膠復合材料具有多孔結構，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生物理吸附，根據范德瓦耳斯力吸附在氣凝膠的內表面。這種吸附是可逆的，吸附量與溫度、壓力等因素有關。溫度對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，因為隨著溫度升高，二氧化碳分子的熱運動加劇，范德瓦耳斯力作用減弱，導致物理吸附量逐漸減少。此外，粉煤灰的含量、氣凝膠的孔隙結構及改性劑的種類和含量等都會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增加復合材料的比表面積，但如果含量過高可能會堵塞孔隙，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散和吸附。所以在吸附過程中應選取適宜的條件進行吸附，這樣才能獲得更大效率的吸附量。同時， CO₂ 捕集已經成為當前重大科技發展方向。固體吸附劑吸附法在 CO₂ 的捕集過程中應用廣泛，其中 SiO₂ 氣凝膠具有成本低、合成方法靈活、分離效率高、表面易修飾等優點。然而， SiO₂ 氣凝膠材料也存在 CO₂/N₂ 吸附選擇性低，CO₂ 吸附容量有待繼續提高等缺陷。為解決上述問題，國內學者制備了1種 Cu-BTC@SiO₂ 復合氣凝膠CO₂ 吸附材料，通過 CO₂ 吸附測試對其 CO₂ 吸附量、選擇性吸附、循環吸附進行了研究，結果表明，Cu-BTC與 SiO₂ 氣凝膠具有結構協同作用，與Cu-BTC復合后的 SiO₂ 氣凝膠不會改變材料SiO-Si骨架結構，同時可以保持Cu-BTC的晶體結構不受到損壞。

4結論

本文有助于深入理解粉煤灰基氣凝膠復合材料的制備工藝和吸附機理，為新型吸附材料的開發提供理論依據和技術支持。同時，通過探索不同制備條件和吸附條件對材料性能的影響，揭示材料結構與性能之間的關系，為材料科學的發展作出貢獻。

環保意義。粉煤灰基氣凝膠復合材料的制備及其吸附二氧化碳的研究，有助于解決燃煤發電過程中的環境污染問題，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。通過實現粉煤灰的資源化利用和二氧化碳的有效捕集，為環保事業做出貢獻，推動綠色、低碳、循環經濟的發展。

經濟意義。傳統的二氧化碳捕集技術成本較高，限制了其大規模應用。粉煤灰基氣凝膠復合材料作為一種新型吸附材料，具有廣泛的應用前景。通過將其應用于二氧化碳捕集、廢氣處理等領域，可以帶來顯著的經濟效益。該研究為粉煤灰的綜合利用提供了新的方向，可促進相關產業的發展，創造經濟價值

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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

基金項目：2024年國家級創新訓練項目（項目編號：202416209005）；2024年高校教師創新基金項目（項目編號：2024A-237）；2021年甘肅省教育廳產業支撐項目：高氯廢水處理及減排回用的技術研究及產業化應用（項目編號：2021CYZC-66）。收稿日期：2024-11-06作者簡介：趙靜（2005-），女，研究方向：化學工藝。通信作者：王志學（1996-），男，研究方向：環境礦物材料。