Aerogeelien ominaisuudet, valmistus ja käyttö vedenpuhdistuksessa

Abstract

Aerogeeli on geelin kiinteä komponentti erotettuna geelin nestekomponentista. Aerogeeleillä on ominaisuuksiensa vuoksi monia käyttökohteita. Matala lämmönjohtavuus tekee aerogeeleistä tehokkaita lämpöeristeitä, kun taas hyvä sähkönjohtavuus on hyödyksi erilaisissa sähkökemiallisissa sovelluksissa. Suuri ominaispinta-ala ja huokostilavuus ovat adsorption kannalta edullisia ominaisuuksia.

Tässä kandidaatintutkielmassa tarkastellaan aerogeelien ominaisuuksia, valmistusta ja käyttöä vedenpuhdistuksessa. Aerogeeleille tyypillisiä ominaisuuksia ovat suuren ominaispinta-alan lisäksi matala tiheys, erittäin huokoinen rakenne ja muokattava pintakemia. Silika-aerogeelien vahvuus on matala lämmönjohtavuus ja hiiliaerogeelien hyvä sähkönjohtavuus. Sooli-geeli-menetelmä on yleisin aerogeelien valmistusmenetelmä, ja tässä tutkielmassa kuvataan silika-aerogeelin valmistus kyseisellä menetelmällä. Geelien kuivausmenetelmistä tarkastellaan kylmä- ja normaali-ilmanpainekuivausta sekä ylikriittistä kuivausta.

Aerogeelien käyttöä vedenpuhdistuksessa selvitettiin Scopus-viitetietokannan avulla. Tiedonhakua ohjasi seuraavat kysymykset: Kuinka paljon aiheeseen liittyvää tutkimusta on tehty 2000-luvulla, mitä kontaminantteja aerogeeleillä on pyritty poistamaan vesimatriiseista, ja mistä materiaaleista vedenpuhdistusaerogeelit on tehty? Aerogeelitutkimusta on tehty läpi 2000-luvun, mutta 2020-luvulla aerogeelit ovat nousseet suureen suosioon ja tällä hetkellä niiden käyttöä vedenpuhdistuksessa tutkitaan paljon. Poistettavia kontaminantteja ovat olleet mm. raskasmetallit, orgaaniset väriaineet, öljy ja lääkeaineet. Havaintojen mukaan raskasmetallit ja orgaaniset väriaineet ovat merkittävimmät kontaminanttiryhmät. Vedenpuhdistusaerogeelejä valmistetaan nykyään esim. silikasta, aluminasta, hiilestä, biopolymeereistä ja orgaanisista polymeereistä. Kiertotalouden ja kestävän kehityksen hengessä valmistusmateriaaleja etsitään sivuvirroista ja jätteistä.