冰晶模板組裝蒙脫石多孔材料及傳熱傳質(zhì)規(guī)律研究.pdf

1、為了解決日益嚴重的工業(yè)廢氣污染問題，對儲量豐富的蒙脫石改性研究已成為制備新材料的熱點之一?，F(xiàn)有技術(shù)主要以陽離子交聯(lián)柱撐和有機模板組裝來改性蒙脫石。此技術(shù)雖然可以合成微孔豐富、比表面積達200m2/g的納米蒙脫石粉體，但是，改性后的蒙脫石孔隙結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)品形態(tài)單一。大多柱撐劑和有機模板自身含有毒性，對改性蒙脫石和環(huán)境造成污染。該類材料也無法同時處理多種廢氣和固體微粒（PM2.5）。所以，創(chuàng)新合成具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)、環(huán)境友好型蒙脫石功能材料

2、的制備方法十分必要。
　　本研究根據(jù)模板組裝以及傳熱傳質(zhì)原理，系統(tǒng)分析了溫和反應條件下，膠體懸浮液濃度小于5％時，蒙脫石多孔材料的制備理論。包括蒙脫石微粒與水中羥基、PVA分子中羥基的氫鍵結(jié)合理論,冰晶模板誘導作用下蒙脫石微粒的超分子組裝理論；研究確定了“溶膠-凝膠-真空冷凍干燥”制備蒙脫石多孔材料的主要技術(shù)條件；試驗驗證了所制備蒙脫石多孔材料凈化汽車尾氣的效率。研究揭示的主要規(guī)律如下：
　　對冰晶模板組裝蒙脫石形成多孔結(jié)構(gòu)

3、的物理化學本質(zhì)和孔隙特征研究表明，冰晶模板對蒙脫石微粒的誘導動力主要來源于冰晶特有的片狀結(jié)構(gòu)以及二者之間存在的氫鍵和范德華力。其方向性和加合性強化了氫鍵和范德華力，促成了蒙脫石微粒在冰晶間隙內(nèi)定向排列，在多孔蒙脫石微粒組裝中起決定作用。由此制備的凍干蒙脫石內(nèi)部宏觀孔隙呈層狀結(jié)構(gòu)，而且以貫通孔為主。孔隙率>60%，比表面積>150m2/g，孔體積>0.29cm3/g；大孔孔徑約50μm,中孔孔徑35nm～45nm，另外在層狀骨架壁面有少量

4、孔徑小于5nm的微孔。
　　研究分析了蒙脫石微粒與聚乙烯醇長鏈分子間通過氫鍵結(jié)合發(fā)生有機化反應的機理，鈉基蒙脫石/聚乙烯醇復合多孔材料的孔隙特征。研究表明，聚乙烯醇長鏈上的羥基與鈉基蒙脫石微粒表面的羥基可形成氫鍵，使兩物質(zhì)之間發(fā)生插層反應，氫鍵在此反應中起著關(guān)鍵作用。在蒙脫石微粒層間域內(nèi)外，聚乙烯醇濃度梯度所產(chǎn)生的滲透壓促使其向?qū)娱g域內(nèi)滲透，強化了插層反應，最終生成了鈉基蒙脫石/聚乙烯醇復合膠體懸浮液。在此基礎上，經(jīng)冰晶模板組裝并

5、凍干的鈉基蒙脫石/聚乙烯醇復合材料中，宏觀孔隙呈層狀結(jié)構(gòu)。其孔隙率>60%，比表面積>213.8m2/g，孔體積>0.327cm3/g。內(nèi)部大孔以貫通孔為主，孔徑大于10μm，中孔孔徑約7.0nm，在層狀骨架壁面也存在著孔徑小于5nm的微孔。
　　通過建立能量傳遞和質(zhì)量傳遞數(shù)學模型并求解，揭示了該過程傳熱傳質(zhì)耦合規(guī)律，凍干蒙脫石內(nèi)瞬時溫度場和濃度場分布規(guī)律，真空冷凍干燥時間變化規(guī)律。研究表明，凍干蒙脫石的導熱系數(shù)隨其內(nèi)部水蒸汽濃度

6、的提高而增大；水蒸汽擴散通量與系統(tǒng)提供輻射熱量也呈現(xiàn)正相關(guān)增加趨勢，但是，水蒸汽擴散通量的增加會導致系統(tǒng)的熱損失加??；凍干蒙脫石內(nèi)的二維溫度場、濃度場分布類似于拋物曲線；從樣品上表面中心至底部中心位置，溫度逐漸降低，而水蒸汽濃度則上升；在同一水平面，從樣品內(nèi)部向外溫度逐漸升高，水蒸汽濃度則逐漸下降。模擬計算表明，當環(huán)境溫度為308K時，蒙脫石凍結(jié)體所需理論凍干時間約為39.0h。試驗測得凍干時間約為40.0h，模擬計算與實驗值基本吻合。

7、
　　研究分析了植物淀粉提高蒙脫石多孔材料結(jié)構(gòu)強度內(nèi)在規(guī)律。研究表明，淀粉長分子鏈中的羥基與蒙脫石微粒表面的羥基可發(fā)生氫鍵作用，它是二者之間緊密粘結(jié)的內(nèi)在動力。淀粉凝膠化過程中形成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，引導蒙脫石微粒形成與淀粉凝膠同樣的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。冰晶模板引導蒙脫石/淀粉組成的未定型網(wǎng)絡凝膠實現(xiàn)有序排列。增強處理后的凍干蒙脫石及其復合多孔材料，其結(jié)構(gòu)強度達1.0MPa以上，原有的層狀孔隙特征完好。
　　探索了凍干蒙脫石多孔材料作為催化

8、劑的作用機理。研究表明，蒙脫石多孔制品內(nèi)含有的多尺度孔隙，表面存在的大量不平衡鍵、斷裂鍵，以及所具有的高離子交換量，形成了層狀骨架表面的棱角、突起和缺陷，構(gòu)成了蒙脫石催化劑的活性中心。凍干蒙脫石層間域內(nèi)和表面上能夠釋放出豐富質(zhì)子，使蒙脫石多孔材料成為一種較強的固體酸催化劑。凍干蒙脫石的催化機理為吸附、離子交換、過濾、分離四種物理化學過程的綜合作用。對汽車尾氣中CO、HC（碳氫化合物）、NOx、PM2.5、以及CO2的綜合凈化效率可達25