疏水型纳米SiO2气凝胶修饰活性炭吸附硝基化合物研究

本项目针对炸药废水处理用高吸附效率、可再生的吸附剂开展研究工作。采用溶胶-凝胶法结合超临界干燥法或常压干燥法，攻克疏水型纳米SiO2气凝胶修饰活性炭复合材料设计和制备技术、改性剂的选择及疏水角的控制技术、纳米孔的控制技术、吸附机理及其再生技术等关键技术，制备出对硝基化合物（TNT、RDX、HMX和TATB等）吸附效率为活性炭15倍以上、经过20次吸附/解吸附过程后吸附效率基本不变、常温下即可再生的纳米SiO2气凝胶修饰活性炭复合材料，该材料可以使炸药废水中各硝基化合物浓度降低到国家一级排放标准。预期申请专利1~2项，在国内外核心刊物以上发表学术论文12~16篇（其中SCI或Ei源期刊上发表3篇以上），提供疏水型纳米SiO2气凝胶修饰活性炭复合材料的制备方法和详细的研究总结报告，为中物院培养参研青年。

本项目针对传统炸药废水吸附用活性炭吸附效率低且不可循环使用的缺陷开展研究工作，结合SiO2气凝胶的高吸附率、可循环利用和活性炭的低成本等优点，在国内外首次制备出炸药废水处理用疏水型纳米SiO2气凝胶及其与活性炭复合材料。项目首先针对炸药分子结构特性，利用相似相溶原理筛选出MTES、VTES、PTES三种SiO2气凝胶疏水改性剂作为研究对象，采用原位聚合结合溶胶-凝胶、超临界干燥等工艺制备出三种疏水型纳米SiO2气凝胶材料，研究结果显示对烷烃类、苯环类、硝基类三类有机物的吸附效果均优于活性炭，吸附/脱附性能与SiO2气凝胶种类、有机物的表面张力、沸点等有关，同时对疏水型纳米SiO2气凝胶对废水中硝基苯的吸附性能进行了研究，找出了最佳吸附工艺参数、吸附动力学方程和吸附机理。随后制备出MTES、VTME、PTES等改性疏水型纳米SiO2气凝胶/活性炭复合材料，其中MTES改性复合材料接触角、比表面积、孔径和孔体积最大，分别为142~167°、674.47~850.22 m2/g、14~24 nm和3.13~4.13 cm3/g。最后研究了复合材料对TNT和RDX等溶液的吸附性能和吸附机理，其中PTES改性疏水型纳米SiO2气凝胶对TNT吸附率可达97%、对RDX吸附率可达95%。吸附后的样品分别用丙酮解吸后，做五次循环吸附，样品的再生率均大于90%，优于现有国内外同类产品水平，具有广阔的市场前景，为获得具有自主知识产权和国际先进水平的硝基化合物废水处理用高吸附再生材料的应用和产业化提供了理论依据和技术支撑。项目已发表学术论文21篇，其中SCI 收录10篇、EI收录11篇，共申请国家发明专利13项、授权2项。共培养博士生5人，硕士生11人，培养了1名中国工程物理研究院参研青年，项目组多位成员赴美国和澳大利亚知名高校进行学术合作交流。