Aplicações de aerogéis em sistemas de fachadas personalizados na China para purificação ambiental.

A aplicação de aerogéis na purificação ambiental se reflete principalmente em duas áreas: adsorção e purificação de gases e tratamento de água. Atualmente, os materiais de aerogel mais estudados para purificação ambiental são os aerogéis de sílica (SiO₂) e os aerogéis de carbono. Nos últimos anos, tem-se observado também um crescente interesse na aplicação de aerogéis de óxido metálico, bem como de novos aerogéis, como os de carbeto de silício (SiC), os de grafeno e os aerogéis à base de biomassa.

Aerogéis de sílica (SiO₂)

Como materiais adsorventes, os aerogéis de SiO₂ oferecem alta eficiência de adsorção, fácil dessorção e excelente estabilidade intrínseca. Eles são os aerogéis mais maduros e amplamente estudados, tendo sido os primeiros a serem aplicados na adsorção e purificação de gases. Através da funcionalização com aminas ou da modificação hidrofóbica, o desempenho de adsorção dos aerogéis de SiO₂ em relação ao CO₂ ou a COVs pode ser ainda mais aprimorado. Aerogéis de SiO₂ modificados podem atingir capacidades de adsorção de CO₂ de até 1,95 mmol/g e 6,97 mmol/g em condições secas e úmidas, respectivamente, com uma fração volumétrica de CO₂ de 10%.

Devido à adsorção competitiva por moléculas de água, os adsorventes físicos tradicionais, como carvão ativado e sílica gel, apresentam um declínio significativo no desempenho de adsorção de COVs em condições de umidade. Em contraste, os aerogéis de SiO₂ hidrofóbicos suprimem eficazmente a adsorção de água, melhorando assim a seletividade em relação aos gases orgânicos alvo em ambientes úmidos. Suas capacidades de adsorção para COVs como benzeno, tolueno e tetracloreto de carbono são significativamente maiores do que as de adsorventes convencionais como carvão ativado e fibras de carvão ativado. Enquanto isso, sua capacidade de adsorção de vapor de água (0,12 g/100 g) é muito menor do que a dos aerogéis de SiO₂ hidrofílicos (6 g/100 g).

O mecanismo de adsorção pode ser descrito da seguinte forma:

(1) Os vapores orgânicos difundem-se nos poros do aerogel e são adsorvidos nas superfícies dos poros;

(2) O processo de adsorção é exotérmico e a baixa condutividade térmica dos aerogéis retém o calor dentro das partículas;

(3) O aumento da temperatura dentro das partículas de aerogel reduz a capacidade de adsorção de equilíbrio dos compostos orgânicos;

(4) À medida que o calor é liberado lentamente, a temperatura da partícula diminui, aumentando a capacidade de adsorção de equilíbrio e permitindo que o processo de adsorção continue.

Os aerogéis de SiO₂ também podem ser usados ​​na purificação de água e na adsorção de derramamentos de óleo. Eles são capazes de remover de forma rápida e eficiente nitrobenzeno, óleos, fenóis e outros poluentes tóxicos voláteis da água, atingindo taxas de remoção superiores a 98% para corantes como o azul de metileno. Consequentemente, são amplamente aplicados na proteção ambiental marinha e no tratamento de efluentes na indústria petroquímica.

aerogéis de carbono

Os aerogéis de carbono são uma nova classe de materiais de carbono nanoporosos caracterizados por alta porosidade, grande área superficial específica e ampla faixa de densidade. Comparados aos aerogéis de SiO₂, os aerogéis de carbono exibem áreas superficiais específicas e volumes de poros maiores, tornando-os outra categoria importante de adsorventes de aerogel. Além dos métodos de modificação de superfície semelhantes aos utilizados para aerogéis de SiO₂, os aerogéis de carbono podem ser ainda mais ativados para aumentar sua área superficial e otimizar a estrutura dos poros e a química da superfície, melhorando significativamente seu desempenho de adsorção de CO₂ e COVs.

Os aerogéis de carbono são comumente usados ​​para remover metais nocivos e poluentes orgânicos da água, como Hg²⁺, Pb²⁺, nitrobenzeno e nitrofenóis. Normalmente, aerogéis de carbono com estruturas específicas são acondicionados em colunas de adsorção por onde a água contaminada flui, permitindo que os poluentes sejam capturados pelo aerogel. Os aerogéis de carbono também podem servir como eletrodos em tecnologias de eletroadsorção e oxidação eletrocatalítica para tratamento de águas residuais.

Aerogéis de óxido metálico

Os aerogéis de óxido metálico possuem abundantes sítios ativos na superfície, como centros metálicos e grupos hidroxila reativos, que conferem propriedades de adsorção únicas. Esses materiais frequentemente sofrem adsorção química, resultando em alta capacidade e seletividade de adsorção. Por exemplo, os aerogéis de MgO–Al₂O₃ contêm três tipos de sítios de adsorção básicos com diferentes intensidades em suas superfícies e exibem excelente desempenho de adsorção para nove COVs típicos, incluindo acetaldeído e acetona. Suas capacidades de adsorção saturadas são significativamente maiores do que as do carvão ativado, e as moléculas de COV sofrem adsorção dissociativa multicamada nas superfícies nanocristalinas.

Aerogéis de celulose funcionais

Os aerogéis de celulose funcionais são tipicamente preparados por secagem supercrítica ou liofilização e apresentam áreas de superfície específicas e porosidades extremamente elevadas. Além das vantagens convencionais dos aerogéis, oferecem excelente biocompatibilidade, biodegradabilidade e respeito ao meio ambiente. Essas características proporcionam vantagens inerentes na adsorção de gases como CO₂ e formaldeído, bem como na remoção de íons de metais pesados, corantes orgânicos, solventes orgânicos e água contaminada com óleo de efluentes.

aerogéis de carbeto de silício (SiC)

Os aerogéis de SiC são geralmente produzidos por carbonização em alta temperatura e redução carbotérmica de precursores de aerogel compósito orgânico-SiO₂. Eles servem como suportes estáveis ​​e robustos para a preparação de adsorventes de CO₂ funcionalizados com amina. Os aerogéis monolíticos de SiC funcionalizados com amina exibem capacidades de adsorção de CO₂ quase idênticas em diferentes temperaturas (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 meio de simples separação, tratamento térmico e refuncionalização, sem perda significativa no desempenho de adsorção, mesmo após pelo menos 12 ciclos de reutilização. Essa excelente reciclabilidade reduz significativamente os custos operacionais.

Aerogéis de grafeno

Os aerogéis de grafeno são formados pelo empilhamento de folhas de grafeno em uma rede porosa tridimensional. Eles combinam a alta taxa de transporte de elétrons e os grupos funcionais contendo oxigênio do grafeno com a alta área superficial e porosidade dos aerogéis, mantendo-se, ao mesmo tempo, fáceis de modificar posteriormente. Os aerogéis de grafeno exibem altas capacidades de adsorção e cinética de adsorção rápida para CO₂ e SO₂. Suas capacidades máximas de adsorção atingem 2,38 mmol/g para CO₂ (a 1000 kPa) e 2,19 mmol/g para SO₂, alcançando o equilíbrio de adsorção em apenas cinco minutos.

Resumo

Os aerogéis apresentam porosidade ultra-alta, estruturas mesoporosas abertas e interconectadas e alta estabilidade térmica, que, em conjunto, proporcionam excelente capacidade de adsorção e regenerabilidade. Por meio de estratégias como funcionalização com aminas, modificação hidrofóbica e ativação, seu desempenho de adsorção na purificação ambiental pode ser ainda mais aprimorado, oferecendo amplas perspectivas de aplicação. Nossa empresa já alcançou progressos significativos na pesquisa de aerogéis para purificação ambiental. Os esforços futuros devem continuar a fortalecer a pesquisa em tecnologias de detecção e métodos de tratamento, adaptando inovações a poluentes específicos presentes no meio ambiente global e concretizando plenamente o potencial dos aerogéis em aplicações de purificação ambiental.



Jutao Tecnologia Ambiental — Especialistas em Soluções de Materiais de Aerogel

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