一种在气凝胶材料中负载易升华物质的方法与流程

本发明属于环保领域或复合材料领域，具体涉及一种在气凝胶材料中负载易升华物质的方法。

背景技术：

随着人类工业化进程的推进，地球资源日益枯竭，人们在急于寻找新型能源的同时，加倍关注对已有能源的可循环利用。另外使用化石燃料导致的环境污染问题也被环保人士及科学家们饱受诟病。我国自上世纪八十年代以来，国民经济快速发展的同时，资源枯竭与环境污染的问题也日益突显。我国作为煤炭大国，煤炭资源占总资源储量的一半以上，而煤炭资源在开采、加工、发电应用中常常伴随着巨大的废弃物，其产生的工业三废(废渣、废水、废弃)一直以来是我国工业绿色改革、可循环发展的关键问题。

气凝胶材料，又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。气凝胶是一种固体物质形态，世界上密度很小的固体之一。密度为3千克每立方米。一般常见的气凝胶为硅气凝胶，其最早由美国科学工作者Kistler在1931年因与其友打赌制得。气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系，金属系等等。气凝胶材料在分形结构研究领域、隔热材料研究领域、隔音材料研究领域都具有重要的研究价值。

近年来，在储能材料领域，碳气凝胶作为新型导电的多孔材料是继纤维状活性碳以后发展起来的一种新型碳素材料，它具有很大的比表面积(600-1000m²/kg)和高电导率(10-25s/cm)。而且，密度变化范围广(0.05-1.0g/cm³)。如在其微孔洞内充入适当的电解液，可以制成新型可充电电池，它具有储电容量大、内阻小、重量轻、充放电能力强、可多次重复使用等优异特性，初步实验结果表明：碳气凝胶的充电容量达3×10⁴/kg²，功率密度为7kw/kg，反复充放电性能良好，被广泛应用于电化学、催化和环境保护等各个领域。

现有的气凝胶负载单质易升化物质的方法主要有：

(1)吸附法：将气凝胶材料进行压块封装组成吸附袋或吸附模块，利用其优异的表面吸附能力将通过的含易升化物质废气中的易升化物质元素进行吸附。该方法虽然工艺简单，但未能充分利用气凝胶高比表面积及孔容，易中毒，负载易升化物质效率低下。

(2)溶剂交换法：将易升化物质单质溶解于乙醇、乙醚、二硫化碳、四氯化碳、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、环己烷、甲苯和苯有机溶剂中，将上述溶剂浸渍气凝胶材料，再将有机溶剂蒸发后，单质易升化物质重新析出负载在气凝胶材料中。但该方法中有机溶剂难以进入微孔结构，导致负易升化物质不充分且不够均匀，且有机溶剂多有毒性，蒸发后需要回流冷凝以回收利用，导致工艺复杂，成本难以下降。

(3)化学法：将易升化物质的反应原料溶解在溶剂中，再将气凝胶材料分散在该溶剂中，在一定条件下激发反应，反应生成单质易升化物质颗粒负载在气凝胶材料中。但该方法中有机溶剂难以进入微孔结构，导致易升化物质负载不充分且不够均匀，且需经过控制条件以发生化学反应，反应精度难以控制，工艺复杂，成本高。

(4)热处理法：将单质易升化物质和气凝胶材料按照一定比例混合，搅拌球磨后密封于特制容器中，抽真空或通入惰性气氛保护，再送入热处理炉中在40-150℃处理1-8小时，再加热到300℃以上处理1-3小时，去除未复合良好的多余单质易升化物质，随炉冷却至室温，即可完成气凝胶负载单质易升化物质工艺。这种方法工艺条件较为苛刻，负载时间较长，难以实现自动化工艺。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在气凝胶材料中负载易升华物质的方法，该方法负载易升化物质量高且易升化物质单质分布均匀，环保绿色。

本发明所采用的技术方案是，一种在气凝胶材料中负载易升华物质的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将单质易升华物质放入活塞密封气缸底部，单质易升华物质上部叠放气凝胶材料，装入活塞；

步骤2，排出气缸内及气凝胶材料中的空气，然后通过气缸出口通入惰性气体；

步骤3，密封气缸出口，快速推压活塞，气缸内的惰性气体由于骤然压缩而升温，致使易升化物质单质受热升华，并在活塞压力下进入气凝胶材料的孔道之中；

步骤4，快速抽拉活塞至气凝胶材料初始长度，惰性气体因体积膨胀温度下降，随着温度的下降，气相易升化物质凝结形成纳米级颗粒，并均匀分散在气凝胶材料的孔道中；

步骤5，重复2-4步操作，即获得高易升化物质负载量的气凝胶材料。

本发明的特点还在于，

步骤1中气凝胶材料与单质易升华物质的质量比为1：4-5。

气凝胶材料为碳气凝胶材料或硅气凝胶材料。

单质易升华物质为硫、碘、萘或三氯化铝中的一种或多种混合物。

步骤2中惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气或氙气中的一种或多种混合物。

步骤3中气缸内惰性气体压缩比为2-10。

步骤3中活塞推压速度为0.2-1m/s。

本发明的有益效果是，本发明在气凝胶材料中负载易升华物质的方法，具有以下特点：

(1)绿色环保：本发明通过将单质易升化物质气化后在气凝胶材料内部凝结实现负载易升化物质，无需热源加热，无废弃物产生；

(2)易升化物质负载高效均匀：负载前将气凝胶材料内部空气排出，更有利于气相易升化物质进入气凝胶的多级孔道结构中，充分发挥气凝胶材料的结构优势，另一方面由于气相易升化物质冷却速度快，凝固后颗粒粒径细小，从而优化气凝胶负载易升化物质的均匀程度；

(3)工艺简便可控：本发明负载方法简单，通过控制推拉次数就可以调节气凝胶材料的负载量，另外本发明方法易于扩大、自动化，若能提供源源不断的易升化物质来源和连续更换的气凝胶材料即可实现自动化连续批量生产。

综上所述，本发明提出了一种简便易操作、易于自动化的气凝胶材料负载单质易升化物质的方法，且获得的易升化物质/气凝胶复合材料具有负载量高、分布均匀的特性，该发明可用于含有易升化物质的工业废气的高效处理，也可以用于制备均匀高效复合的新型复合材料。

附图说明

图1是本发明方法的工艺示意图；

图2是实施例1中所使用碳凝胶材料的扫面电镜图；

图3是按实施例1制备的单质硫/碳气凝胶复合材料的热重曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明在气凝胶材料中负载易升华物质的方法，具体工艺如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将单质易升华物质放入活塞密封气缸底部，单质易升华物质上部叠放气凝胶材料，装入活塞；气凝胶材料与单质易升华物质的质量比为1：4-5；气凝胶材料为碳气凝胶材料或硅气凝胶材料；单质易升华物质为硫、碘、萘或三氯化铝中的一种或多种混合物；

步骤2，排出气缸内及气凝胶材料中的空气，然后通过气缸出口通入惰性气体(惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气或氙气中的一种或多种混合物)，直至气缸内惰性气体压缩比为2-10；

步骤3，密封气缸出口，以推压速度为0.2-1m/s快速推压活塞，气缸内的惰性气体由于骤然压缩而升温，致使易升化物质单质受热升华，并在活塞压力下进入气凝胶材料的孔道之中；

步骤4，快速抽拉活塞至气凝胶材料初始长度，惰性气体因体积膨胀温度下降，随着温度的下降，气相易升化物质凝结形成纳米级颗粒，并均匀分散在气凝胶材料的孔道中；

步骤5，重复2-4步操作，即获得高易升化物质负载量的气凝胶材料。

实施例1

(1)预处理所使用的容器导管：将所使用的气缸和活塞使用去离子水清洗后一并放入鼓风干燥箱中80℃下干燥10h，去除表面水分；

(2)将5g升华硫放入活塞密封气缸底部，其上叠放1g碳气凝胶材料，装入活塞；

(3)推压活塞致气缸底部，彻底排出气缸内及碳气凝胶中的空气，将气缸出口连接氮气，抽拉活塞充入氮气至压缩比为2；

(4)密封气缸出口，快速推压活塞，推压速度为0.2m/s，气缸内的氮气由于骤然压缩而升温，致使升华硫受热升华，并在活塞压力下进入碳气凝胶材料的孔道之中；

(5)快速抽拉活塞至碳气凝胶材料初始长度，氮气因体积膨胀温度下降，气态升华硫凝结形成纳米级颗粒，并均匀分散在碳气凝胶材料的孔道中；

(6)拉出活塞，取出复合材料，即获得高负载量的硫/碳气凝胶复合材料。

图2为实施例1中所使用碳气凝胶的扫描电镜照片，从图2中可见碳气凝胶为三维自组装结构，具有大量多级孔道结构，能够有效吸附易挥发物质。

图3为实施例1获得的硫/碳气凝胶复合材料和碳气凝胶材料的热重曲线，从图3中对比可见所制备的硫/碳气凝胶复合材料的载硫量达到75％。

实施例2

(1)预处理所使用的容器导管：将所使用的气缸和活塞使用去离子水清洗后一并放入鼓风干燥箱中100℃下干燥24h，去除表面水分；

(2)将20g单质碘放入活塞密封气缸底部，其上叠放5g硅气凝胶材料，装入活塞；

(3)推压活塞致气缸底部，彻底排出气缸内及硅气凝胶中的空气，将气缸出口连接氩气，抽拉活塞充入氩气至压缩比为10；

(4)密封气缸出口，快速推压活塞，推压速度为1m/s，气缸内的氩气由于骤然压缩而升温，致使单质碘受热升华，并在活塞压力下进入硅气凝胶材料的孔道之中；

(5)快速抽拉活塞至气凝胶材料初始长度，氩气因体积膨胀温度下降，气态单质碘凝结形成纳米级颗粒，并均匀分散在硅气凝胶材料的孔道中；

(6)重复(3-5)步操作五次，拉出活塞，取出复合材料，即获得高负载量的碘/硅气凝胶复合材料。

实施例3

(1)预处理所使用的容器导管：将所使用的气缸和活塞使用去离子水清洗后一并放入鼓风干燥箱中90℃下干燥16h，去除表面水分；

(2)将10g单质萘放入活塞密封气缸底部，其上叠放2g碳气凝胶材料，装入活塞；

(3)推压活塞致气缸底部，彻底排出气缸内及碳气凝胶中的空气，将气缸出口连接氮气氩气混合气，抽拉活塞充入氮气氩气混合气至压缩比为6；

(4)密封气缸出口，快速推压活塞，推压速度为0.6m/s，气缸内的氮气氩气混合气由于骤然压缩而升温，致使单质萘受热升华，并在活塞压力下进入碳气凝胶材料的孔道之中；

(5)快速抽拉活塞至气凝胶材料初始长度，氮气氩气混合气因体积膨胀温度下降，气态单质萘凝结形成纳米级颗粒，并均匀分散在碳气凝胶材料的孔道中；

(6)重复(3-5)步操作三次，拉出活塞，取出复合材料，即可获得高负载量的萘/碳气凝胶复合材料。