气凝胶是一种结构可控的纳米多孔材料，是由气体取代液体在凝胶中的位置制造而成，因此具有轻质、高比表面积、高孔隙率等特点，其拥有许多俗名：冻结的烟雾（frozen smoke）、固态的烟雾（solid smoke）等等。

由于这些神奇的结构，气凝胶在热学、声学、光学、电学等方面具有特殊的性能。尤其在石油的勘探、开采、运输和加工过程中，气凝胶更能作为一种优良的吸收剂去有效和选择性地吸收那些由于事故或技术原因而泄漏的石油，在这个过程中，被吸附物可以从一个孔流向另一个孔，最后充满整个多孔材料，避免严重的环境后果发生。

扫描电镜下，可以看清气凝胶中复杂繁多的孔道结构

不过不同材质之间的气凝胶在吸附性能上存在差别，若想通过气凝胶解决类似的环境污染问题，首先就要甄选出吸附能力强且具有经济适用性的材质是什么。以下便是科学家对不同材质气凝胶吸附性能测试后的结果。

1、二氧化硅气凝胶

二氧化硅(SiO₂)气凝胶是迄今为止研究最多和使用最广泛的气凝胶类型。它无毒、无味、无污染、颗粒尺寸小、比表面积大，是一种低密度的无机非金属多孔材料。作为吸附剂时可吸附污水中的重金属离子、油污色素等，稳定性高，可在苛刻环境中使用，可重复使用且不会造成二次污染。

油水混合物吸附以及吸附-脱附静态图片

虽然SiO₂气凝胶具有制备方法简单、成本低的优点，不过SiO₂气凝胶作为多孔材料用于污水处理存在两个主要问题：一是，表面亲水性的羟基基团难以将有机污染物从污水中分离出来；二是，SiO₂气凝胶结构脆弱，不利于实际使用。因此为了增强其使用性能，一般会通过改性、复合的方法，以便得到更好的力学性能，便于重复利用。不过SiO₂气凝胶的吸附性能依旧其他气凝胶材料存在较大的差距。因此，提高吸附率是SiO₂气凝胶未来研究的重点。

2、碳纳米管气凝胶

碳纳米管(CNTs)包含单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)两类，CNTs的吸附性能取决于CNTs的纯度、孔隙率、比表面积 及其表面官能团的种类。CNTs由于封闭的分子结构，具有大的表面能，极强的疏水性和较强的范德华作用力，使其不溶于水和有机溶剂。因此，需要对其表面进行功能改性，才有利于发挥CNTs吸附性能。

北航李敏教授和中科院苏州纳米所李清文研究员共同研发的大批量超轻碳纳米管气凝胶制备工艺

研究表明，氨基、羧基、羟基和硫醇等官能团的引入可以提高CNTs的吸附性能。此外，将CNTs制成气凝胶纳米材料，以便赋予其较高的孔隙率和较大的比表面积，使其吸附性能得到进一步提高。

3、氮化硼气凝胶

氮化硼(BN)具有与碳类似的晶格结构，BN气凝胶超轻，密度小于空气，是一类以固体为骨架、气体为分散介质的具有三维多孔网络结构的新型纳米，它良好的疏水亲油性保证了吸附水中有机溶剂的能力，并呈现出经济和高效的特点。

六方氮化硼分子结构示意图

合成BN气凝胶的方法主要有硬模板法、软模板法、低微BN组装法、无模板法等。硬模板法制得的ＢＮ气凝胶的比表面积可达1100m²/g，无模板法制得的BN气凝胶的比表面积可达1900m²/g。因此，BN气凝胶超高的比表面积赋予了其优异的吸附性能，同时，还具有可压缩、耐高温等特性，可以通过压缩或燃烧实现重复利用。

BN气凝胶的吸油及燃烧再利用过程

石墨烯气凝胶

石墨烯(GO)气凝胶，是一种高强度氧化气凝胶，具有高弹性、强吸附、低密度、大比表面的特点。由于其结构由石墨烯片层三维搭接、组装形成，具有三维连续多孔网络结构，因此继承了石墨烯和气凝胶高比表面积、高孔隙率、高电导率以及良好的热导率和机械强度等优点。据研究，石墨烯气凝胶(GA)可以吸附很多物质，如甲醛、丙酮和染料等有机污染物（下图）等等。

石墨烯气凝胶吸附性能

GA的常见制备方法有模板法、水热还原法和溶胶凝胶法等。石墨烯的芳环阵列会使其片层之间产生共轭，容易团聚，并且石墨烯缺乏功能基团，分散困难，很难直接作为一种高效吸附剂使用，因而需要对GA进行表面改性或者与其他材料复合才能作为一种高效的吸附剂使用。

纤维素气凝胶

纤维素是一种在自然界中贮藏丰富的多糖，以各种形式的纤维素为原料，通过冷冻干燥或超临界干燥制得的气凝胶具有高孔隙率、低密度等优点。由于纤维素表面的羟基具有亲水性，制得的纤维素气凝胶不能直接用于水处理，需要进行表面疏水改性。

其中，烷基化是纤维素气凝胶进行疏水改性的一个重要方法。Feng等以废纸为原料，以MTMS为改性剂，通过冷冻干燥法成功研制出一种生物相容性优异的纤维素气凝胶。制得的气凝胶对油类具有很好的吸附能力，最高吸附率为95g/g，且该气凝胶可实现回收再利用，有望取代环境不友好的聚合物基吸油剂。

纤维素气凝胶吸油过程

复合材质气凝胶

在材料学界，把不同材料进行复合是一种很常见的做法，往往可以发挥出不同材料的优势同时规避短处，气凝胶的研发同样也不例外。

不久前在开放获取期刊Polymers上的一篇文章中，就有研究人员报告了一种由可重复使用、仿生和疏水的石墨烯/聚乙烯醇/纤维素纳米纤维气凝胶制成的除油吸收剂的开发。其中，纤维素本身是一种低成本制备气凝胶的天然材料，但它的机械性能欠佳，因此使用了聚乙烯醇（PVA）来增强，添加石墨烯则是利用它的可压缩性。

在这三种组分的协同作用下，这种新型气凝胶对于多种有机溶剂具有较高的吸附能力，同时还突出的可压缩性，可采用简单的机械挤压方法可以快速、有效地回收90%以上吸收的油脂，并且具有良好的可重复使用的稳定性。

结语

总的来说，气凝胶这种具有疏水性、成本低、制备简单、性能稳定等优点的材料，在清洁污水和有机溶剂方面确实具有很大的潜力。但目前相关工作都处于开发阶段，无论是什么材质的气凝胶都多少存在一定的不足。不过综合比较的话，GA和纤维素气凝胶还是比较有希望成为污水处理中首选的高效吸附剂的。

资料引用：

宋梓豪,杨明,童风雨,等. 污水处理用气凝胶的研究进展[J]. 南京工业大学学报（自然科学版）,2022,44(1):1-9. DOI:10.3969/j.issn.1671-7627.2022.01.001.

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