本發(fā)明屬于環(huán)保領(lǐng)域或復合材料領(lǐng)域，具體涉及一種在氣凝膠材料中負載易升華物質(zhì)的方法。

背景技術(shù)：

隨著人類工業(yè)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(guān)注對已有能源的可循環(huán)利用。另外使用化石燃料導致的環(huán)境污染問題也被環(huán)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(jīng)濟快速發(fā)展的同時，資源枯竭與環(huán)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(fā)電應(yīng)用中常常伴隨著巨大的廢棄物，其產(chǎn)生的工業(yè)三廢(廢渣、廢水、廢棄)一直以來是我國工業(yè)綠色改革、可循環(huán)發(fā)展的關(guān)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)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(zhì)形態(tài)，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(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域、隔熱材料研究領(lǐng)域、隔音材料研究領(lǐng)域都具有重要的研究價值。

近年來，在儲能材料領(lǐng)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(fā)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(nèi)充入適當?shù)碾娊庖?，可以制成新型可充電電池，它具有儲電容量大、?nèi)阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重復使用等優(yōu)異特性，初步實驗結(jié)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(yīng)用于電化學、催化和環(huán)境保護等各個領(lǐng)域。

現(xiàn)有的氣凝膠負載單質(zhì)易升化物質(zhì)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(yōu)異的表面吸附能力將通過的含易升化物質(zhì)廢氣中的易升化物質(zhì)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(zhì)效率低下。

(2)溶劑交換法：將易升化物質(zhì)單質(zhì)溶解于乙醇、乙醚、二硫化碳、四氯化碳、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、環(huán)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(fā)后，單質(zhì)易升化物質(zhì)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(jié)構(gòu)，導致負易升化物質(zhì)不充分且不夠均勻，且有機溶劑多有毒性，蒸發(fā)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(zhì)的反應(yīng)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(fā)反應(yīng)，反應(yīng)生成單質(zhì)易升化物質(zhì)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(jié)構(gòu)，導致易升化物質(zhì)負載不充分且不夠均勻，且需經(jīng)過控制條件以發(fā)生化學反應(yīng)，反應(yīng)精度難以控制，工藝復雜，成本高。

(4)熱處理法：將單質(zhì)易升化物質(zhì)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(zhì)易升化物質(zhì)，隨爐冷卻至室溫，即可完成氣凝膠負載單質(zhì)易升化物質(zhì)工藝。這種方法工藝條件較為苛刻，負載時間較長，難以實現(xiàn)自動化工藝。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種在氣凝膠材料中負載易升華物質(zhì)的方法，該方法負載易升化物質(zhì)量高且易升化物質(zhì)單質(zhì)分布均勻，環(huán)保綠色。

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

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

步驟2，排出氣缸內(nèi)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(nèi)的惰性氣體由于驟然壓縮而升溫，致使易升化物質(zhì)單質(zhì)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(zhì)凝結(jié)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(zhì)負載量的氣凝膠材料。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟1中氣凝膠材料與單質(zhì)易升華物質(zhì)的質(zhì)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(zhì)易升華物質(zhì)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(nèi)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(fā)明的有益效果是，本發(fā)明在氣凝膠材料中負載易升華物質(zhì)的方法，具有以下特點：

(1)綠色環(huán)保：本發(fā)明通過將單質(zhì)易升化物質(zhì)氣化后在氣凝膠材料內(nèi)部凝結(jié)實現(xiàn)負載易升化物質(zhì)，無需熱源加熱，無廢棄物產(chǎn)生；

(2)易升化物質(zhì)負載高效均勻：負載前將氣凝膠材料內(nèi)部空氣排出，更有利于氣相易升化物質(zhì)進入氣凝膠的多級孔道結(jié)構(gòu)中，充分發(fā)揮氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，另一方面由于氣相易升化物質(zhì)冷卻速度快，凝固后顆粒粒徑細小，從而優(yōu)化氣凝膠負載易升化物質(zhì)的均勻程度；

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

綜上所述，本發(fā)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(zhì)易升化物質(zhì)的方法，且獲得的易升化物質(zhì)/氣凝膠復合材料具有負載量高、分布均勻的特性，該發(fā)明可用于含有易升化物質(zhì)的工業(yè)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(fā)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(zhì)硫/碳氣凝膠復合材料的熱重曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明在氣凝膠材料中負載易升華物質(zhì)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(zhì)易升華物質(zhì)放入活塞密封氣缸底部，單質(zhì)易升華物質(zhì)上部疊放氣凝膠材料，裝入活塞；氣凝膠材料與單質(zhì)易升華物質(zhì)的質(zhì)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(zhì)易升華物質(zhì)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(nèi)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(nèi)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(nèi)的惰性氣體由于驟然壓縮而升溫，致使易升化物質(zhì)單質(zhì)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(zhì)凝結(jié)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(zhì)負載量的氣凝膠材料。

實施例1

(1)預(yù)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(nèi)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(nèi)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(tài)升華硫凝結(jié)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(jié)構(gòu)，具有大量多級孔道結(jié)構(gòu)，能夠有效吸附易揮發(fā)物質(zhì)。

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(yù)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(zhì)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(nèi)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(nèi)的氬氣由于驟然壓縮而升溫，致使單質(zhì)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(tài)單質(zhì)碘凝結(jié)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(yù)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(zhì)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(nèi)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(nèi)的氮氣氬氣混合氣由于驟然壓縮而升溫，致使單質(zhì)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(tài)單質(zhì)萘凝結(jié)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。