Aplicação de aerogéis em sistemas de fachadas personalizados na China para limpeza ambiental.
A utilização de aerogéis na purificação ambiental concentra-se principalmente em duas áreas: purificação de gases por adsorção e purificação de águas residuais. Atualmente, os materiais de aerogel mais estudados para purificação ambiental são os aerogéis à base de dióxido de silício (SiO₂) e os aerogéis de carbono. Nos últimos anos, diversos estudos também têm sido realizados sobre o uso de aerogéis de óxido metálico, bem como novos tipos de aerogéis, como os de carbeto de silício (SiC), os de grafeno e os de biomassa.
aerogéis à base de dióxido de silício (SiO₂)
Os aerogéis de SiO₂, como materiais adsorventes, exibem alta eficiência de adsorção, fácil dessorção e propriedades intrínsecas estáveis. Esses são os materiais de aerogel mais maduros e extensivamente estudados, e foram os primeiros a serem aplicados no campo da purificação de gases por adsorção. A funcionalização com amina ou a modificação hidrofóbica podem aprimorar ainda mais as propriedades de adsorção dos aerogéis de SiO₂ para CO₂ ou compostos orgânicos voláteis (COVs). Aerogéis de SiO₂ modificados são capazes de adsorver até 1,95 mmol/g e 6,97 mmol/g de CO₂ em condições secas e úmidas, respectivamente, com uma fração volumétrica de CO₂ de 10%.
Devido à adsorção competitiva de moléculas de água, os adsorventes físicos tradicionais, como carvão ativado e sílica gel, apresentam uma redução significativa na sua capacidade de adsorção de COVs em ambientes úmidos. Em contraste, os aerogéis de SiO₂ hidrofóbicos suprimem eficazmente a adsorção de água, aumentando assim a seletividade para gases orgânicos alvo em condições de alta umidade. Sua capacidade de adsorção para benzeno, tolueno, tetracloreto de carbono e outros COVs excede significativamente a de adsorventes tradicionais, como carvão ativado e fibras de carbono. No entanto, a adsorção de vapor de água é de apenas 0,12 g/100 g, significativamente inferior à dos aerogéis de SiO₂ hidrofílicos (6 g/100 g).
O mecanismo de adsorção inclui as seguintes etapas:
(1) difusão de vapores orgânicos nos poros do aerogel e sua fixação na superfície dos poros;
(2) a natureza exotérmica da adsorção e retenção de calor dentro das partículas de aerogel devido à baixa condutividade térmica;
(3) um aumento de temperatura dentro das partículas de aerogel, levando a uma diminuição na capacidade de adsorção de equilíbrio de compostos orgânicos;
(4) liberação lenta de calor, diminuindo a temperatura das partículas e aumentando a capacidade de adsorção de equilíbrio, o que garante a continuação do processo de adsorção.
Os aerogéis de SiO₂ também são utilizados para purificação de água e adsorção de derramamentos de petróleo. Eles podem absorver rapidamente e em grandes quantidades nitrobenzeno, derivados de petróleo, fenóis e outros poluentes tóxicos voláteis da água, atingindo uma taxa de remoção superior a 98% para corantes como o azul de metileno. Por esse motivo, os aerogéis de SiO₂ são amplamente utilizados em ecologia marinha e no tratamento de efluentes da indústria petroquímica.
aerogéis de carbono
Os aerogéis de carbono são um novo tipo de materiais de carbono nanoporosos com alta porosidade, grande área superficial específica e uma ampla gama de densidades. Comparados aos aerogéis de SiO₂, eles possuem maior área superficial específica e volume de poros, o que os torna uma importante categoria de materiais aerogel adsorventes. Além da modificação similar à utilizada para aerogéis de SiO₂, os aerogéis de carbono podem ser ativados, o que aumenta ainda mais sua área superficial específica, melhora sua estrutura porosa e suas propriedades químicas superficiais, aumentando significativamente sua capacidade de adsorção de CO₂ e COVs.
Os aerogéis de carbono são amplamente utilizados para remover metais nocivos e poluentes orgânicos da água, como Hg²⁺, Pb²⁺, nitrobenzeno e nitrofenóis. Normalmente, aerogéis de carbono com uma estrutura específica são inseridos em colunas de adsorção pelas quais a água contaminada passa, e as impurezas metálicas são adsorvidas na superfície do aerogel. Além disso, os aerogéis de carbono são utilizados como eletrodos em tecnologias de eletroadsorção e oxidação eletrocatalítica para o tratamento de águas residuais.
Aerogéis de óxido metálico
Os aerogéis de óxido metálico possuem um grande número de sítios ativos na superfície, como centros metálicos e grupos hidroxila ativos, o que lhes confere propriedades de adsorção únicas. Esses materiais frequentemente exibem adsorção química, proporcionando alta capacidade e seletividade de adsorção. Por exemplo, os aerogéis de MgO–Al₂O₃ contêm três tipos de sítios de adsorção primários com diferentes intensidades em sua superfície e exibem excelentes propriedades de adsorção para nove COVs típicos, incluindo acetaldeído e acetona. Sua capacidade de adsorção final supera significativamente a do carvão ativado, com as moléculas de COV sofrendo adsorção dissociativa multicamada na superfície do nanocristal.
Aerogéis de celulose funcionais
Os aerogéis de celulose funcionais são tipicamente produzidos por secagem supercrítica ou liofilização. Caracterizam-se por uma área superficial específica e porosidade extremamente elevadas e, além das vantagens tradicionais dos aerogéis, exibem boa biocompatibilidade, biodegradabilidade e segurança ambiental. Essas propriedades conferem-lhes vantagens naturais na adsorção de CO₂, formaldeído e outros gases, bem como na remoção de íons de metais pesados, corantes orgânicos, solventes orgânicos e águas oleosas de efluentes.
aerogéis de carbeto de silício (SiC)
Os aerogéis de SiC são tipicamente produzidos por carbonização em alta temperatura e redução carbotérmica de precursores de aerogel compósitos de organo-SiO₂. Eles podem servir como suportes estáveis e robustos para a produção de adsorventes de CO₂ funcionalizados com amina. Os aerogéis monolíticos de SiC funcionalizados com amina exibem capacidades de adsorção de CO₂ praticamente idênticas na faixa de temperatura de 25–75 °C, atingindo aproximadamente 1,8 mmol/g em condições secas com uma fração volumétrica de CO₂ de 1%. Após o uso, esses aerogéis podem ser regenerados por simples separação, tratamento térmico e funcionalização repetida com amina. Suas propriedades de adsorção permanecem praticamente inalteradas mesmo após pelo menos 12 ciclos de uso repetido, demonstrando alta regenerabilidade e reduzindo significativamente os custos operacionais.
Aerogéis de grafeno
Os aerogéis de grafeno são formados pelo empilhamento de folhas de grafeno em uma estrutura de rede porosa tridimensional. Eles combinam altas taxas de transferência de elétrons e uma rica oferta de grupos funcionais contendo oxigênio no grafeno com a grande área superficial específica e a alta porosidade dos aerogéis, sendo facilmente modificados. Os aerogéis de grafeno são caracterizados por alta capacidade de adsorção e cinética de adsorção rápida para CO₂ e SO₂. A capacidade máxima de adsorção atinge 2,38 mmol/g para CO₂ (a uma pressão de 1000 kPa) e 2,19 mmol/g para SO₂, com o equilíbrio de adsorção estabelecido em aproximadamente cinco minutos.
Conclusão
Os aerogéis possuem porosidade ultra-alta, uma estrutura mesoporosa aberta e interconectada e alta estabilidade térmica, o que lhes confere excelente capacidade de adsorção e regeneração. Utilizando métodos como funcionalização com aminas, modificação hidrofóbica e ativação, sua eficácia no tratamento ambiental pode ser ainda mais aprimorada, abrindo amplas perspectivas de aplicação. Nossa empresa já fez progressos significativos na pesquisa de aerogéis para tratamento ambiental. No futuro, devemos continuar aprofundando a pesquisa em tecnologias de detecção de poluentes e métodos de tratamento, adaptando inovações a tipos específicos de poluentes presentes no meio ambiente global e concretizando plenamente o potencial dos aerogéis para o tratamento ambiental.
Jutao Tecnologia Ambiental — Especialistas em Soluções de Aerogel
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