Как усилить газосиликатный дом: Фундамент под газосиликатный дом своими руками, видео технологии

строим в Подмосковье и Москве. Щелково

Мечтаете быстро построить новое жилье за городом, которое является экономичным по цене и где можно проживать круглый год? Газосиликатный дом Вам обязательно подойдет. Доверьте строительство из газосиликатных блоков нам, вы останетесь довольны ценой и качеством.

Сегодня в строительстве используются как хорошо известные материалы, так совершенно новые. Газосиликатный блок как раз и принадлежит к последним. Этот вид строительного материала приобретает сейчас все большее количество поклонников. Одним из самых важных плюсов такого строительного материала является то, что с ним работать даже очень просто, но лучше иметь большой опыт в укладке кирпича или строительных блоков, какой есть у мастеров нашей компании. Этот вид блоков для строительства позволяет в очень короткое время построить качественный и очень теплый дом.

Первое, что нужно помнить при строительстве из силикатных блоков, — это то, что несмотря на то, что вес блоков невелик, возведение здания все равно потребует наличия фундамента, и экономить на этом элементе нельзя ни в коем случае.

Все дело в том, что газосиликат обладает довольно ограниченным пределом прочности на изгиб. Именно поэтому строительство газосиликатного дома требует крепкого фундамента, иначе существует большой риск того, что стены дома могут треснуть. Кроме этого, фундамент помогает строителям получить отличную геометрию дома.

Одним из видов фундамента при строительстве здания из газосиликатных блоков может стать железобетонная плита. Такое решение подойдет для любого вида грунтов. Еще одним видом фундамента, который можно применить в этом случае, является хорошо известный монолитный, заливной фундамент. Иногда применяют и столбчатый вид фундамента, но это бывает довольно редко. Ведь он может не выдержать даже дом из газосиликатных блоков, который на порядок легче других.

Первый ряд газосиликата в будущем доме нужно расположить на небольшом расстоянии от почвы. Этого можно добиться, если заливной фундамент будет немного выходить из грунта. Другим вариантом является укладка небольшого пояса из красного кирпича. В любом случае первый ряд газосиликатных блоков должен как минимум находиться на высоте 5 см над уровнем поверхности.

Еще одним моментом перед укладкой блоков является процесс гидроизоляции. Для этого на фундаменте или кирпичном поясе выкладывается несколько слоев рубероида.

Как и при укладке кирпича или других видов строительных блоков, укладка самого первого стартового ряда чрезвычайно важна. От этого будет зависеть то, как лягут и остальные ряды в здании. Блоки укладываются на раствор цемента, а вертикальные швы обрабатываются при помощи специального клея.

Газосиликатный дом под ключ это верный способ побыстрей переселиться в новое жилище, т.к. все наши бригады будут работать слаженно, без всяких задержек.

Иногда процесс кладки требует от строителей изготовления, так называемого, доборного блока. Для его изготовления понадобятся специальные ножовки, которые позволяют пилить газосиликатные блоки. Наша строительная бригада применяет электрические пилы, которые работают с большими объемами кладки, такая пила, конечно, гораздо более эффективная, чем ручная. Материал газосиликат, дом из которого мы строим, будет мягким и податливым в руках наших профессионалов, они знают все эти тонкости и обязательно их учтут.

После того как первый ряд полностью выложен по всему периметру будущего дома, начнем укладывать второй. Этот ряд, как и все последующие, укладывается уже не на раствор цемента, а на специальный клей. Когда начинается строительство дома из газосиликатных блоков, непосредственно перед этими работами, смесь замешивается в емкости при помощи миксера или перфоратора. После чего с ней можно работать. При этом оптимальный размер зазора между рядами блоков составит от 1 до 3 мм. Еще одним из самых важных моментов строительства из газосиликатных блоков является армирование конструкции. Армирование необходимо, оно позволяет усилить конструкцию и придать ей надежность, и газосиликатное строительство будет, в этом случае, гарантированно отвечать всем этим требованиям.

Но бывают случаи, когда можно избежать этого процесса. Например, если решено в дальнейшем отделывать наружную часть дома сайдингом, а внутреннюю- гипсокартонном. Арматуру уложим в самый первый ряд стен, а потом чередуясь через каждые четыре ряда. Можете не сомневаться, дом из газосиликатных блоков под ключ будет построен с соблюдением всех строительных стандартов.

Немного углубившись в теорию, напоследок хотим подчеркнуть, что дом из газосиликата, построенный нашей компанией, будет радовать Вас долгие годы теплотой и уютом, а так же той точностью и профессионализмом, как  мы выполняем строительство газосиликатных домов под ключ.

Проекты газосиликатных домов по доступной цене — Проектирование и строительство домов из газосиликата под ключ недорого

Компания «Брикзауз» строит небольшие дома из газосиликатных блоков под ключ: проекты и цены можно посмотреть на сайте. Мы работаем с разными архитектурными стилями, чтобы вы могли выбрать тот, который отвечает вашим представлениям о красоте. 

Особенности зданий из газосиликата

Газосиликат – востребованный материал для индивидуального строительства. Из него возводят недорогие функциональные здания. Если хотите одноэтажное здание небольшой площади, например 10х10, посмотрите проекты коттеджей с мансардой из газосиликатных блоков. Мансарда – способ увеличить функциональное пространство на небольших площадях. Мансардный этаж можно использовать для комнаты отдыха, гардеробной, спальни или дополнительного санузла. Для тех, кому требуется больше места, рекомендуем обратить внимание на двухэтажные коттеджи из газосиликата. Вы можете выбрать готовый план у нас или заказать индивидуальную проектную документацию. 

Материал имеет небольшой вес, поэтому можно воплотить в жизнь проект одноэтажного дома из газосиликатных блоков, используя облегченный фундамент. Это уменьшит расходы на строительство. Также ваш бюджет сэкономят невысокая стоимость производства, простота доставки, хранения сырья, а также короткие сроки возведения объекта.

По сравнению с кирпичом материал хрупкий, поэтому проекты одноэтажных газосиликатных домов должны учитывать это. Для таких зданий архитекторы должны правильно рассчитать нагрузку. Во время стройки стены нужно усилить арматурой для прочности, а при оштукатуривании использовать армирующую сетку. Еще один минус – сильное влагопоглощение из-за пористой структуры и низкая морозостойкость. В связи с этим стены нужно защитить вентилируемой обшивкой.

Что мы предлагаем 

• выбрать типовой план из нашего каталога

В типовые проекты домов из газосиликатных блоков можно внести правки.

•  заказать индивидуальный план 

Мы учтем ваш образ жизни, количество членов семьи, предпочтения в цвете, стиле, оформлении пространства. Наши архитекторы создадут вариант коттеджа, который полностью подойдет вам.

• заказать возведение коттеджа или дачи

Мы строим по проектам дачных домов из газосиликатных блоков, а также возводим коттеджи, в которых можно жить постоянно.

Кроме газосиликата используем газобетон, пено-, керамоблоки, брус, кирпич. 

• нанять нашу бригаду для выполнения строительных работ под ключ

Если вам нужно положить кирпич, заложить фундамент, провести кровельные, монолитные или отделочные работы, мы готовы выполнить эти этапы.

Позвоните по номеру +7 (495) 792-75-83, если хотите обсудить строительство будущего дома.

причины, как устранить, чем заделать трещины

Пористая структура наделяет ячеистый бетон замечательными свойствами: высокой способностью к сохранению тепла, хорошим звукопоглощением, сниженным весом. Однако это же делает материал хрупким и уязвимым к влажности, из-за чего появляются микротрещины в газобетонных блоках. При правильном проектировании и соблюдении норм строительства они не наносят несущим конструкциям вреда, однако ситуации бывают и другие. Рассмотрим, какие отступления от технологий могут спровоцировать нарушение целостности кладки, и что делать, если треснула стена дома из газобетона.

Вспененный бетон – материал хрупкий. Микротрещины на газобетонной стене явление обыденное, легко устраняемое за счёт внешней отделки. Правда, они могут проявиться и на штукатурке, если она выполнена до того, как конструкции подсохнут и приобретут эксплуатационную влажность. Для ячеистого бетона она в норме составляет 5-6%.

А вот что делать, если в доме из газобетона пошли трещины не волосяные, а с раскрытием более 2 мм? Такие дефекты часто возникают по причине устройства недостаточно жёсткого фундамента, который и сам может деформироваться из-за подвижек грунта — или избытка же влаги в кладке, которая подвергалась перепадам температуры.

Если трещины в стене из газобетона небольшие, их можно заделать таким образом:

• Со стены счищается разрушившийся слой бетона. С поверхности удаляется пыль — можно использовать пылесос, а можно смыть водой.
• Перед тем, как исправить трещины в доме из газоблока, поверхность стен грунтуется смесью синтетического латекса (СКС-65ГП) с водой в соотношении 1:3, либо наполовину разбавленным водой клеем ПВА.
• Далее можно приступать к заделке трещин, способ подбирается в зависимости от их размера. Волосяные трещины в газобетонных стенах с раскрытием до 0,5 мм слегка расшивают и заделывают раствором, желательно клеевым. Если клея нет, можно сделать обычный раствор из цемента и песка, и добавить в него газобетонную пыль, благодаря которой он приобретёт дополнительные свойства.
• Более крупные трещины в газобетоне, раскрытые до 10 мм, так же расшивают и заделывают аналогично. Только в клей или пескоцементный раствор добавляется крошка газобетона более крупного размера. Если в результате растрескивания кладки образовалась большая щель шириной 15-20 мм, в ремонтный состав добавляется щебень из газобетона. Такая добавка предусматривается для того, чтобы ремонтируемая зона не стала мостиком холода из-за более высокой теплопроводности раствора. Мнение эксперта
  Виталий Кудряшов

  строитель, начинающий автор

  На заметку: Если трещина в кладке газобетона крупная, при её заделке необходимо использовать щит, предотвращающий сползание ремонтного состава. Для его удержания можно использовать штукатурную кельму или широкий шпатель, кусок фанеры, придерживая его у основания трещины, и по мере её заделки поднимая выше. Далее кусок доски или фанеры надо закрепить саморезами так, чтобы замоноличенная трещина была стабилизирована на несколько часов – до момента затвердевания раствора.

• Бывает, что не только треснула стена из газобетона, но и кладка разрушилась в этом месте почти на всю толщину — что делать в этом случае? Процесс заделки дефекта аналогичен предыдущему: в работе используется раствор с наполнителем из газобетонного щебня. Это важно, потому что на стене не должно быть участков с разной плотностью.

Если трещина в стене большая и глубокая (а после расшивки она ещё увеличивается), её через 10 см армируют оцинкованными гвоздями. Для большей прочности армирования, на шляпки надевают кусочки мелкоячеистой металлической сетки. Более крупная сетка монтируется поверх трещины уже после того, как реставрационный состав затвердеет и будет снят щит.

Самые большие проблемы с растрескиванием кладки возникают при неправильно рассчитанных, и неграмотно устроенных фундаментах. В этом случае и появляются крупные усадочные трещины в газобетоне, о которых говорилось выше. Их простая заделка, без устранения причины, не гарантирует, что не появятся другие дефекты.

• В интернете можно столкнуться с рекомендациями по устройству вокруг дома, в котором треснул газобетон, кольцевого дренажа, который преподносится как панацея, способная повлиять на ситуацию. Такую меру можно применить, но только как второстепенную. Сама по себе она не обезопасит базу дома от подвижек оттаивающего по весне грунта.
• Необходимо усилить фундамент и установить на стенах силовой металлический каркас, что всегда ведёт к существенным финансовым затратам. Такое решение требует экспертного обследования конструкций и грамотной разработки защитных мероприятий, так что заниматься этим самостоятельно не советуем.
• Как остановить проседание дома из газобетона должны решать специалисты, ведь для достижения цели приходится не только выполнять дополнительные монолитные пояса, но и стягивать каркасом существующую ленту фундамента.

Мнение эксперта
Виталий Кудряшов

строитель, начинающий автор

Примечание: На плите таких проблем, как правило, не бывает, вот почему лучшим выбором для газобетонного дома является плитный монолит.

• Если треснул дом из газобетона, в качестве дополнительного усиления, каркасом из металлопрофиля могут дополнительно стягиваться и стены. В них устанавливают анкера, к которым затем приваривают уголки, швеллера, широкую стальную полосу или прямоугольную трубу. В результате получается несущая диафрагма, которая часть нагрузок принимает на себя.
• Возвращаясь к фундаменту, отметим, что самые большие нагрузки приходятся на его опорную часть – подошву, соприкасающуюся с грунтом. Если трещит дом из газобетона, необходимо увеличить несущую способность ленты, для чего её нижнюю часть расширяют. Делают это путём частичного подкопа периметра фундамента небольшими участками по 95-100 см. Тут надо действовать осторожно, чтобы не допустить проседания.
• Подкапывают одновременно с двух сторон, вбок до середины подошвы, и вглубь на 30 см (изнутри дома приходится демонтировать полы). Сетку для армирования вяжут из стержней диаметром 14 мм, укладывают её в выемку и устанавливают опалубку. Бетон для заливки берут класса В22,5, тщательно уплотняют его вибрированием. В итоге получается несущая обойма из монолитного железобетона, которая охватывает фундамент по всему периметру.
• Если изначально лента дома, в котором появились трещины в газобетонных стенах, не была монолитной, а сделана из сборных блоков или бутовой кладки, для неё выполняется защитная бетонная рубашка. Она сопрягается с существующим фундаментом заанкерованными в него, и зафиксированными пластифицированным цементным раствором, отрезками арматуры. Толщина рубашки не менее 250 мм, и делается она по всей высоте ленты.

После таких мероприятий можно и дренаж устраивать (если стены из газоблоков треснули по причине повышенной влажности грунта), но главное – чтобы по периметру дома была грамотно выполненная отмостка.

Почему трескается стена из газобетона, если с фундаментом всё в порядке и никаких недостатков в его конструкции нет? Причин на самом деле достаточно много. Одной из них является некачественный кладочный материал – то есть, сам газоблок.

Согласно действующему стандарту, газонаполненный бетон может изготавливаться по двум технологиям, основным отличием которых являются условия твердения – естественные, и с дополнительной обработкой горячим паром в автоклаве.

• Газобетон, предназначенный для отправки в автоклав, формуется в один большой блок, который нарезается на высокоточном оборудовании на блоки. При этом отклонения в параметрах минимальные, что очень важно для выполнения качественной кладки. В паровых камерах под воздействием влаги и высокой температуры процесс сушки бетонного камня ускоряется. При этом в нём образуются новые минералы, за счёт которых бетон становится прочнее.
• Неавтоклавная технология предусматривает заливку бетонной смеси в формы, из которых блоки выкладываются на ровную поверхность для сушки. В таких условиях они достаточно долго (почти месяц) набирают прочность, поэтому для ускорения процесса в состав бетона вводятся поглощающие влагу добавки. Дополнительных качеств при этом бетон не приобретает. А если учесть, что производителям выгодно как можно быстрее запустить блоки в продажу, они часто не выдерживают положенных сроков.
• Покупатель нередко привозит блоки на объект, и сразу же пускает в работу, и это одна из причин возникновения трещин в газобетонных стенах. Поэтому, при покупке кладочного материала не смотрите на низкую цену, а обратите внимание на технологию его изготовления. В паспорте изделий должен быть проставлен ГОСТ 31360 (обновлялся в 2007 г.), на неавтоклавный бетон этот стандарт не распространяется.
• Производители, не имеющие дорогостоящего современного оборудования, действуют по старинке, и зачастую для удешевления продукции вместо кварцевого песка добавляют в бетон технические отходы типа золы-уноса. Это ко всему прочему ухудшает ещё и экологичность газоблоков, что ставит под сомнение качество жилого дома в целом.
• Трещина в перегородке из газобетона, так же, как и в несущей стене, может образоваться и по причине откровенного производственного брака. Вряд ли это касается производителей с именем, чаще такое случается у тех, кто только ставит подобный бизнес. На начальном этапе в цехах экспериментируют с добавками, которые ускоряют схватывание бетона.
• Если, к примеру, вместо двуводного гипса добавить полутораводный, схватывание произойдёт быстрее, чем закончится процесс газообразования. В этом случае, трещины могут появляться даже не в кладке, а на самих изделиях, уже через пару недель после их выхода с конвейера. Появление таких трещин невозможно остановить, будут появляться всё новые и новые.

Поэтому, чтобы потом не думать, как устранить трещины на газобетонной стене, внимательно осматривайте блоки перед покупкой. А чтобы быть полностью уверенными в качестве, дайте им полежать на объекте пару недель до начала кладки.

Даже качественный материал не даёт гарантии целостности кладки, если в процессе строительства допускались нарушения технологий. Вот какие ещё причины могут повлечь за собой растрескивание газобетона.

Ещё раз скажем о плохой геометрии неавтоклавных блоков, из-за которой кладку чаще ведут не на тонкослойный клей, а на обычный ЦПС. Из-за неравномерности усадки раствора и самих блоков тоже могут появляться трещины в доме из газобетона (что делать с ними, было рассказано выше).

Так же, при монтаже блоков на пескоцементный раствор, могут появляться горизонтальные трещины в стене из газобетона и вертикальные щели по швам кладки. Дело в том, что пористый бетон забирает у раствора влагу, в результате чего нарушается процесс гидратации последнего, сильнее происходит усушка. Такие дефекты можно устранить кладочным раствором или клей-пеной, но в целом, в этой ситуации спасает только нанесённая с двух сторон штукатурка.

Когда верхние плоскости двух, уложенных рядом блоков образуют перепад, в кладке возникают напряжения. Из-за этого может появиться как горизонтальная трещина в стене из газоблоков, так и сетка трещин на самом бетоне. Поэтому ещё раз обращаем внимание на то, как важно, чтобы кладочный материал имел хорошую геометрию. У автоклавных блоков отклонения наименьшие, всего 1-2 мм. Если они приходятся на постель блока, её выпуклости нужно обязательно выравнивать с помощью тёрки, добиваясь максимальной ровности поверхности, а вмятины заделывать клеем.

Трещины под окнами в доме из газобетона, в зоне опирания перемычек, перекрытий и стропил появляются из-за недостаточного или полного отсутствия армирования. Сама кладка на растяжение работает плохо, и заложенная в неё арматура обеспечивает стенам необходимую жёсткость. Поэтому кладка усиливается за счёт использования стальной или композитной арматуры – стержневой с периодическим профилем или сетки.

Для укладки прутов на поверхности блоков штроборезом вырезают два параллельных паза (или один, если стена не толще 200 мм). Сетка просто замоноличивается в слой кладочного раствора. Арматура укладывается с нахлёстом в 20 см, с обязательным загибом на углах.

Вот какие зоны необходимо армировать, чтобы не появлялись трещины газобетонных блоков:

1. Первый ряд кладки, так как он примыкает к деформационному шву.
2. Последний ряд, предшествующий формированию низа оконного проёма. Из-за отсутствия здесь арматуры появляются трещинки под окном дома из газобетона. Стержни или сетка прокладываются по всей ширине проёма, с заведением за его обреза на 90 см в каждую сторону.
3. Под пятами перемычек, если они сооружаются из U-блоков или металлопрофиля. Сетка или отрезки арматуры заводятся в кладку на 50 см по обе стороны проёма. Если перемычка готовая заводская, армирование производится сразу после её укладки.
4. Глухие стены и простенки шириной более 6 м – в каждом 4-м ряду.
5. Для опоры перекрытий и стропильных систем по обрезу кладки заливается монолитная армированная балка.
6. По контуру фронтона.

Как строить, чтобы не потрескался газоблок? Один из важных моментов – правильное устройство перемычек. Они не должны прогибаться под тяжестью вышележащей кладки. В первую очередь это касается использования для перекрывания проёма металлопроката (недостаточная толщина металла или слишком близкое расположение арматуры к граням блока).

При монолитной заливке необходимо использовать диаметр арматуры не менее 8 мм, а класс бетона не ниже В3,5 (марка М50). Важно, чтобы перемычки имели достаточно места для опирания, для чего по бокам от проёма предусматривают площадки шириной 25-30 см. Чем длиннее перемычка, тем больше места для опоры ей требуется.

Часто возникает такая ситуация: положили плиты перекрытия на газобетон, треснули стены. Происходит это из-за того, что коробка дома деформируется из-за непомерных нагрузок. Избежать этого поможет залитая по обрезу стены армированная кольцевая балка. Для домов, возводимых из ячеистых бетонов, её устройство обязательно.

Армопояс может быть как монолитным, так и выкладываться из полнотелого красного кирпича. Он повысит несущую способность стен; качественно распределит нагрузки от перекрытия; предохранит кладку от растрескивания; сгладит неравномерные линейные расширения конструкций.

Монолитный пояс необходимо устраивать не только для опирания бетонных перекрытий, но и под мауэрлат (деревянную балку, на которую опираются стропила). Конечно, деревянные конструкции крыши не столь тяжёлые, как железобетонные плиты. Однако их вес усиливается ветровыми и снеговыми нагрузками. Так же они создают точечное распорное усилие, которое стремится раздвинуть стены здания в разные стороны. Так что, устройство силового пояса для опоры каркаса крыши для дома из газобетона необходимо.

Мало знать, как заделать трещину в газобетонной стене, необходимо в процессе строительства сделать всё, чтобы избежать подобных проблем. Главный враг газобетона – вода. За 24 часа он способен впитать до 30 % от собственной массы. Именно избыточная влага и является в большинстве случаев причиной трещинообразования.

Поэтому очень важно:

1. Перед началом кладки выполнить на горизонтальной плоскости фундамента двойной слой гидроизоляции. Лучший вариант – приклеить рубероид на битумную мастику.
2. Не допускать увлажнения стен паром, наглухо запечатывая их снаружи пенопластом или кирпичом без вентилируемого зазора.
3. Не оставлять газобетонные стены зимовать без крыши и внешней отделки.

При выборе варианта для оформления фасада нужно учитывать такой нюанс. Вентилируемый фасад идеально подходит для облицовки газобетонных стен, однако навесные конструкции имеют значительный вес. Не говоря уже о том, что на стенах приходится выполнять множество сверлений. Если для кладки были использованы блоки с низкой плотностью – D400, например, она может начать растрескиваться. Специалисты рекомендуют под такой вид отделки использовать блоки плотностью не менее 600 кг/м³.

Газосиликат Дримхаус

Сегодня быстро развивается малоэтажное строительство, а эконом-дома из газосиликатных блоков в Московской, Рязанской областях и в Рязани набирают все большую популярность. Газосиликатные блоки – это пористый строительный материал, который относится к легким бетонам. Действительно ли этот материал так хорош? Разберемся по порядку.

Преимуществ у дома, построенного из газосиликатных блоков, более чем достаточно. Рассмотрим основные из них.

Главное преимущество дома из газосиликатных блоков – это небольшая стоимость без потери качества. Материал обладает низкой теплопроводностью, что позволяет сэкономить на отоплении 20-40%. 

Кроме того, стены такого дома «дышат». Климат в доме из газосиликатных блоков схож с климатом деревянного дома. Газосиликат регулирует влажность воздуха в помещении, что исключает возможность возникновения на стенах плесени. К тому же, газосиликат не подвержен гниению, поскольку производится из минерального сырья.

Следующий плюс – долговечность и экологичность. Данный материал не разрушается грызунами (что является преимуществом по отношению к деревянному дому). Кроме того, в блоке не содержится каких-либо вредных химических соединений, материал не требует дополнительной обработки химическими веществами, чтобы увеличить срок его эксплуатации.   

С газосиликатными блоками очень легко работать даже при возведении стен сложной конфигурации, они обладают высокой звукоизоляцией и устойчивы к возгоранию. 

Заключительным (но далеко не последним) преимуществом можно назвать срок строительства дома из газосиликатных блоков – около 2-3 месяцев.

Помимо многих плюсов имеются нюансы, на которые следует обратить внимание при строительстве дома из данного материала.

Высота дома должна быть 1-2 этажа. При большей высоте нагрузка на стены увеличится и может привести к их разрушению.

Для крепления полок, карнизов и других предметов на стены требуются специальные дюбели. Обычные дюбели могут выпадать из стен. 

Срок усадки дома – около одного года, поэтому, если после возведения сразу же начнутся отделочные работы в помещении, следует остановить свой выбор на обоях или гипсокартоне. Если использовать штукатурку – то трещин, скорей всего, не избежать.

Это основные «подводные камни», о которых стоит помнить при строительстве дома из газосиликатного блока.  

Очевидно, что плюсов у данного материала больше, чем минусов, да и подавляющее большинство владельцев домов, построенных из газосиликатных блоков, не пожалели о сделанном выборе. Поэтому, если вы хотите быстро и легко построить теплый, уютный, экологичный и недорогой дом, стоит остановить свой выбор на данном материале.

Мы построим для вас экономичный дом из газосиликатных блоков в Московской, Рязанской области или в Рязани за 2-3 месяца с поэтапной оплатой. Для уточнения деталей звоните прямо сейчас по телефону: +7 (4912) 99-75-75.

Дом из газосиликата Hebel (Хебель)

В данной статье мы приведём рекомендации фирмы Hebel (Хебель) по строительству зданий из газосиликатных блоков.

Итак, блоки Hebel (Хебель) бывают трёх видов — это стандартный блок, U- блок и блок с цилиндрическим отверстием.

     

Проверка фундамента

В самом начале строительства дома из газосиликата необходимо проверить фундамент на наличие всех необходимых технических отверстий, установленных труб и т. д. в соответствии с проектом.

Доставка газосиликатных блоков

Так как газосиликатные блоки являются достаточно хрупким материалом, поэтому необходимо производить очень аккуратную погрузку и разгрузку блоков. Это позволит уменьшить количество поврежденного газосиликата и в дальнейшем вы избежите проблем с выравниванием стены. Разгрузку газосиликата лучше осуществить рядом с местом возведения стен, чтобы тратить меньше сил на перенос блоков до места их укладки.

Необходимые инструменты, которые понадобятся для постройки дома из газосиликата.

Установка первого ряда газосиликатных блоков Hebel (Хебель) на фундамент

После того как фундамент выстоялся и выровнен производится кладка первого ряда блоков. Вначале необходимо положить гидроизоляцию, чтобы влага не поднималась из фундамента к газосиликату. Затем необходимо отметить (например мелом) место расположения наших стен и дверных проёмов в соответствии с проектом дома. Дальше необходимо найти самую высокую точку в одном из углов фундамента, это можно сделать использую водный уровень. В этом месте необходимо нанести цементный раствор толщиной примерно 2 см.

После необходимо очистить поверхность газосиликатного блока от крошек метелкой и уложить его на цементный раствор. Первым укладывается блок с отверстием для вертикального усиления. Затем устанавливаются другие угловые блоки, между ними натягивается веревка, это необходимо для того чтобы ориентироваться и ровно выставлять последующие газосиликатные блоки. Необходимо помнить, что каждый из угловых блоков Hebel (Хебель) должен проверяться по водному уровню с первым установленным блоком. Это важный этап в строительстве дома, поэтому уделите ему повышенное внимание.

Установив все угловые блоки можно приступить к замеру диагонали дома. Она должна быть одинаковая. Если есть в каком-то месте расхождение, то расстояния между газосиликатными блоками необходимо дополнительно промерить и если это необходимо подвинуть нужный газосиликат. Таким образом мы добиваемся точных размеров первого этажа в соответствии с проектом дома.

Вертикальное усиление стены из блоков Hebel происходит благодаря газосиликатному блоку с отверстием . В отверстие блока устанавливают арматуру, которая связывается с фундаментом с помощью уже предустановленных арматур, после этого отверстие в газосиликате заливают бетоном. Если заранее в фундаменте не было установлено арматуры, то это можно сделать просверлив в нём отверстие и установив арматуру с последующей заливкой цементным раствором (см. рисунок выше).

Кладка последующих слоёв газосиликата Hebel (Хебель)

Для последующих слоёв кладки стены необходимо использовать специальный клей для блоков Hebel (Хебель). Перед нанесением клея на газосиликат, необходимо очистить его метелкой. Для нанесения клея удобно использовать специальную кельму, которая так облегчает труд при кладке блоков из газосиликата. После установки блока необходимо убрать излишки клея, который выдавился из под блока. А так же важно произвести проверку высоты блока по уровню и его направление по натянутой верёвке.

 

 

 

В результате применения газосиликатного блока Hebel (Хебель) с отверстием мы получаем внутри стены колонну из железобетона, которая способна нести большую нагрузку. Так как одним из недостатков газосиликата является его низкая прочность на изгиб, такое строительное решение позволяет существенно уменьшить вероятность образования трещины в стене и повысить её несущую способность.

Установка U-Блока Hebel (Хебель)

U-образные блоки — отличаются от стандартных блоков Hebel (Хебель) тем, что в процессе производства в них создана полая часть в середине блока. Газосиликатные блоки U-типа применяют для горизонтального усиления стены. В блок устанавливается арматура, размер и связка арматуры осуществляется в соответствии с проектом здания, после чего арматура заливается бетоном. Это позволяет создать внутри стены из газосиликата железобетонную балку, которая выполняет роль горизонтального усиления. U-блоки Hebel (Хебель) применяют для создания армопояса между этажами, а также их используют над и под оконными проёмами и над дверными проёмами в местах где необходимо усилить газосиликатную стену. Армопояс помогает распределить нагрузку на стену из газосиликата от плит перекрытий, либо от крыши.

Итак, подводя итоги, можно сказать что U-блоки Hebel (Хебель) и блоки с отверстием помогают создать жесткий каркас в доме из газосиликата, что помогает стене нести повышенные нагрузки.

Если по проекту дома из газосиликата после армопояса  идёт крыша, то необходимо предварительно при заливке U-блока бетоном установить анкера к которым в последствии будет  прикреплён мауэрлат. На рисунке ниже показано крепление мауэрлата и стропил к газосиликатному U-блоку.

После того как стена из газосиликата готова нам необходимо вырезать отверстия для различных коммуникаций (электрики, труб и т.д.). Всё это можно сделать с использованием специальных режущих насадок для дрели или других инструментов. А сливную трубу можно проложить прямо в стене. Газосиликатные блоки легко обрабатываются и пилятся даже обычной пилой, что является одним из преимуществ, помогающих ускорить строительство дома.

Трёхэтажная гостиница возведена с использованием газосиликата Hebel (Хебель) и применением технологии строительства описанной выше.

продолжение следует…

Обеспечение кислородом дома

BMJ. 1998 Oct 3; 317 (7163): 935–938.

Азбука кислорода

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Перед тем, как пациенты в Соединенном Королевстве будут проходить длительную кислородную терапию дома, они должны сдать анализ газов артериальной крови, который проводится в больничной лаборатории. Оценка должна проходить под наблюдением врача-респиратора. В Англии и Уэльсе это противоречит потребности в домашнем кислороде, который должен прописывать терапевт пациенту.В Шотландии меры принимает врач-респиратор. Для обеспечения надлежащего ухода за пациентом необходима тесная связь между врачами общей практики и больницей. Часто это лучше всего организовывают медсестры-респираторы и практикующие медсестры.

Оценка должна проводиться у пациента в стабильном состоянии при оптимальном лечении и должна быть подтверждена второй оценкой, по крайней мере, через три недели. Несколько исследований показывают, что результаты однократной оценки не всегда подтверждаются повторным анализом через 4–12 недель.Хотя критерии Великобритании определяют артериальное давление углекислого газа (Paco ₂ )> 6 кПа для лечения, считается, что пациенты с более низким Paco ₂ должны проходить такое же лечение. Критерии в других странах немного отличаются.

Критерии длительного содержания кислорода в разных странах

	Соединенное Королевство	Европа	США	Австралия
Пао 2 (кПа)	< 7. 3	<7,3 или 7,3-8,7 плюс легочное сердце, отек, объем упакованных клеток> 56%	<7,3, насыщение <88% или 7,3-7,9 плюс легочное сердце, отек, объем упакованных клеток> 56%	<7,5 плюс гипертрофия правого желудочка, отек, полицитемия, сатурация <90% при физической нагрузке
Paco 2 (кПа)	> 6
FEV 1 (л)	<1,5
ФЖЕЛ (л)	<2.0

Целью долгосрочной кислородной терапии является поддержание артериального давления кислорода (Pao ₂ ) на уровне 9,3–12 кПа. Обычно это достигается за счет расхода 1-3 л / мин. В идеале Pao ₂ должно быть более 10,7 кПа, чтобы можно было упасть во время упражнений, еды, сна и т. Д.

Назначение длительного приема кислорода при хронической обструктивной болезни легких

• Убедитесь, что другое лечение является оптимальным

• Оценка пригодности пациента (курение, комплаентность)

• Измерение концентрации газов в крови у пациента в стабильном состоянии

• Повторить измерения через 3-4 недели

• При необходимости организовать кислород дома

• Последующие меры проблемы и комплаентность (желательно на дому медсестрой-респираторной сестрой)

• Повторите измерения газов крови через 6–12 месяцев

Большинство врачей не прописывают домашний кислород людям, которые продолжают курить.Доказательства пользы от испытаний основаны на некурящем, и опасность пожара хорошо известна.

Устройства для домашнего кислорода

Кислородные баллоны

Баллоны, предоставленные дома в Соединенном Королевстве, содержат 1360 л кислорода, что обеспечивает 11 часов лечения при скорости потока 2 л / мин. Кислород поставляется розничными фармацевтами, уполномоченными органами здравоохранения поставлять кислородное оборудование. Они могут доставить баллоны на дом к пациенту, помочь со сборкой и проконсультировать по использованию.Кислородные баллоны рекомендуются как обычные предметы общей практики с дополнительными рецептами, необходимыми для замены баллонов. Кислород хранится в баллонах под давлением 2000 фунтов на квадратный дюйм с регулятором давления, который позволяет пациенту 50 фунтов на квадратный дюйм. Предусмотренные клапаны имеют среднюю настройку, которая обеспечивает 2 л / мин, и высокую настройку, которая обеспечивает 4 л / мин.

Также доступны переносные баллоны емкостью 300 л, но их хватает на два часа при расходе 2 л / мин. Его можно расширить с помощью устройства для сохранения кислорода (см. Ниже).Доступны легкие переносные баллоны, чтобы свести к минимуму дополнительную работу, связанную с переноской оборудования во время тренировки. Портативные баллоны можно заправлять дома из источника жидкого кислорода с помощью специального клапана, но не из больших газовых баллонов или концентраторов кислорода.

Кислородные баллоны следует назначать для периодического использования дома, то есть для периодического облегчения одышки в покое или при выполнении физических упражнений дома. Баллоны нужно защищать от тепла, которое вызывает повышение их давления.Когда кислород используется более 8 часов в день (эквивалент 21 баллона в месяц), становится дешевле и удобнее устанавливать дома концентратор кислорода.

Кислородные концентраторы

В кислородных концентраторах молекулярное сито удаляет азот из воздуха, давая 95% кислорода и 5% аргона. При более высоких расходах концентрация кислорода падает до 85-90%. Концентраторы содержат синтетический силикат алюминия (цеолит), который улавливает молекулы газа по размеру и полярности. Стандартные концентраторы непереносимы и требуют электроснабжения.Регулярное техническое обслуживание концентраторов имеет важное значение, и контракты производителей покрывают это. Доступны портативные концентраторы, которые могут работать от автомобильного аккумулятора на 12 вольт; они не могут быть прописаны в Соединенном Королевстве, хотя пациенты могут их покупать. Они весят около 10 кг и имеют тележку на колесиках. Концентраторы следует размещать в хорошо вентилируемом помещении с соответствующими трубками и несколькими выходными отверстиями для большей свободы пациента.

Потребность в кислороде и его использование следует контролировать не реже одного раза в год.Счетчики времени на концентраторах позволяют оценить использование, хотя включение машины не гарантирует, что пациент ее использует.

Позиции для включения в рецепт на концентратор кислорода

• Количество часов использования каждый день

• Скорость потока кислорода

• Требуются маски или канюли

• Необходимость увлажнения

• Требуется резервное копирование кислородный баллон

В Англии и Уэльсе региональные контракты заключаются с тремя коммерческими подрядчиками, которые несут ответственность за установку, обслуживание и аварийный ремонт.Поставщик также организует оплату электроэнергии, используемой концентратором, и предоставляет все необходимое дополнительное оборудование. Когда пациенту требуется кислородный концентратор, врач должен позвонить по бесплатному телефону поставщика (номер Британский национальный формуляр и Ежемесячный указатель медицинских специальностей ). Затем рецепт выдается пациенту для передачи поставщику. Поставщик предоставляет органам здравоохранения информацию о часах использования, и врачей, назначающих лекарства, следует проинформировать, если это существенно отличается от предписанного режима.

Жидкий кислород

Жидкий кислород — самый гибкий источник домашнего кислорода. Резервуар содержит 30 или 40 л жидкого кислорода на 8-10 дней со скоростью 2 л / мин. Контейнеры с жидким кислородом изолированы и находятся под относительно низким давлением. Кислород имеет температуру кипения −183 ° C, а из 1 л жидкого кислорода получается 860 л газа. Контакт с контейнером или трубкой может привести к обморожению или ожогам. Резервуар предназначен для наполнения легких переносных баллонов, содержащих литр жидкого кислорода.Они будут работать до 8 часов при 2 л / мин. В Соединенных Штатах 500 000 пациентов получают жидкий кислород, но, хотя он доступен в Соединенном Королевстве, он не может быть предоставлен по стандартным рецептам NHS.

Мембранный сепаратор для обогащения кислорода

Мембранный сепаратор для обогащения кислорода содержит сложные полимерные мембраны. Они также отделяют водяной пар, поэтому их не нужно увлажнять, что является преимуществом при транстрахеальной доставке. Они не требуют особого обслуживания, но имеющиеся в настоящее время машины производят концентрацию всего 30-40%.

Переносные устройства

Переносные кислородные баллоны могут повысить толерантность к физическим нагрузкам, улучшить качество жизни и повысить способность выполнять простые задачи. Они также могут помочь пациентам получать вдыхаемый кислород в течение достаточно длительного времени каждый день. Недостаток жидкого кислорода затрудняет использование портативного кислорода более чем время от времени в Соединенном Королевстве. Стандартные переносные баллоны тяжелые и служат всего два часа при расходе 2 л / мин. Добавление устройства по запросу может увеличить продолжительность использования.

Устройства для подачи кислорода

Маски

Маски с фиксированной производительностью обеспечивают постоянную концентрацию вдыхаемого кислорода, которая не изменяется при изменении вентиляции. Их всегда следует использовать у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких, если только известно, что у пациента не установлено нормальное давление углекислого газа. Fio ₂ , поставляемый с масками с переменной производительностью, меняется в зависимости от изменений в характере дыхания. Их можно использовать, когда нет опасности задержки углекислого газа.Для обоих типов масок рекомендуется расход 2 л / мин. (Полное описание см. В главе 1 ( BMJ 1998; 317: 798-801.)

Опасности домашнего кислорода

• Кислород не является взрывоопасным или горючим, но увеличивает скорость горения и температуру пламени. у курящих могут возникнуть ожоги

• Кислородные маски могут вызвать изъязвление, болезненность или мацерацию лица

• Канюли могут вызвать высыхание и образование корок в носу

• При обострениях может развиться задержка углекислого газа; возможность должна быть пересмотрена, если пациент становится сонливым

• Обморожение или ожоги от металлических соединителей могут возникнуть при использовании жидкостных систем

Канюли

Назальные канюли, как правило, являются лучшим способом доставки кислорода в течение длительного времени.Они просты, ненавязчивы и позволяют относительно незаметно продолжать есть, разговаривать и мыться.

Концентрация вдыхаемого кислорода не сильно зависит от дыхания ртом или носом. Однако он меняется в зависимости от вентиляции и потока вдоха и может меняться со временем у одного и того же пациента. У пациентов с риском задержки углекислого газа сокращение минутной вентиляции, вызванное добавлением вдыхаемого кислорода, может привести к более высокой эффективной концентрации вдыхаемого кислорода при том же потоке кислорода через канюли.При обострении хронической обструктивной болезни легких это может привести к порочному кругу: повышение Fio ₂ , падение вентиляции и увеличение Pao ₂ . Ориентировочно, 2 л / мин дает концентрацию вдыхаемого кислорода 25-30%.

Кислородосберегающие устройства

Более половины дыхательного цикла уходит на выдох, а кислород, поступающий в этот период, тратится впустую. Следовательно, устройства для удержания кислорода в камере или для пульсации подачи во время вдоха могут сэкономить кислород.Это наиболее ценно для продления срока службы переносных баллонов. Системы резервуаров, такие как «усы» объемом 20 мл, могут снизить потребность в кислороде на 50-70% в состоянии покоя. Системы подачи импульсов могут продлить срок службы портативного баллона до четырех раз. Они подходят для любого устройства доставки, но не имеют никакого преимущества при установке на концентраторе. Клапан вдоха из источника открывается при срабатывании триггера из-за отрицательного давления, создаваемого в начале вдоха. Поток продолжается до секунды.Устройства для экономии кислорода не отпускаются по рецепту в Великобритании.

Транстрахеальный кислород

Канюля, вводимая непосредственно в трахею, менее заметна и обходит мертвое пространство верхних дыхательных путей. Верхние дыхательные пути действуют как резервуар кислорода, так что скорость потока 0,5 л / мин может быть эквивалентна 4 л / мин через носовые канюли. Увлажнение необходимо при более высоких скоростях потока, поскольку функция кондиционирования носа и верхних дыхательных путей игнорируется.

Некоторые побочные эффекты связаны с транстрахеальным кислородом.Около 10% пациентов испытывают кашель, 2% кровохарканья и 7% подкожную эмфизему. У четверти пациентов вокруг кончика катетера образуются слизистые шарики, хотя обструкция катетера возникает редко, как и бронхоспазм, связанный с инородным предметом в трахее.

Последующее наблюдение

Пациенты, получающие кислород в домашних условиях, имеют запущенное заболевание и, как правило, нуждаются в регулярном наблюдении. Многие из них будут иметь крайне ограниченную толерантность к физическим нагрузкам, и посещения дома — самая простая форма последующего наблюдения.В большинстве случаев это может сделать квалифицированная медсестра-респиратор в больнице или практикующая медсестра.

Соответствие

Аудиты назначения кислорода в целом показали, что рецепты часто не соответствуют рекомендуемым руководящим принципам. Рецепт часто выпадает с опозданием в течение болезни и пациента не обследуют должным образом. Большинство опросов показывают, что меньшее количество людей, чем прогнозировалось, получают кислород в течение длительного времени в Соединенном Королевстве.

Пациентам, длительно получающим кислород дома, следует стремиться к как можно большему количеству часов; 15 часов — минимальное эффективное время

Многие пациенты не достигают порогового значения 15 часов в день для длительной кислородной терапии.В некоторых случаях это связано с тем, что им дается 15 часов в качестве цели, к которой нужно стремиться, когда им прописан кислород. Пациентам следует рекомендовать использовать кислород как можно больше часов в день, минимум 15 часов. Визиты на дому медсестры-респираторной медсестры помогают закрепить инструкции.

Вентиляционная поддержка

Кислород может быть необходим дома в качестве дополнения к вентиляции или постоянному положительному давлению в дыхательных путях через нос при обструктивном апноэ во сне.Эти требования необходимо будет установить с помощью тщательного ночного наблюдения дома или в больнице. Кислород с необходимой скоростью может быть введен в эти системы через порт на маске или рядом с ней.

Пациент, использующий кислород дома

Легкий переносной кислородный баллон

С жидким кислородом переносной баллон (слева) можно пополнять из кислородного баллона (справа)

Пациент с переносным кислородным баллоном

Пациент получает транстрахеальный кислород

Портативный кислородные баллоны помогают пациентам увеличить потребление кислорода

Footnotes

Изображения системы жидкого кислорода воспроизводятся с разрешения компании Oxygen Therapy Company, Air Products.Фотография пациента с переносным кислородным баллоном воспроизведена с разрешения BOC Gases.

Ф. Дадли — терапевт, клиника Херли, Лондон

Азбуку кислорода редактируют Ричард М. Лич, врач-консультант, и П. Джон Рис, врач-консультант, Госпиталь Гая и Св. Томаса, Лондон.

Кремнеземный аэрогель: синтез и применение

Кремнеземные аэрогели вызвали большой интерес как в науке, так и в технике из-за их низкой объемной плотности (до 95% их объема составляет воздух), гидрофобности, низкой теплопроводности, большой площади поверхности , и оптическая прозрачность.Аэрогели синтезируются из молекулярных предшественников путем золь-гель обработки. Необходимо применять специальные методы сушки, чтобы заменить поровую жидкость воздухом при сохранении твердой сетки. Наиболее распространена сверхкритическая сушка; однако недавно разработанные методы позволяют удалять жидкость при атмосферном давлении после химической модификации внутренней поверхности гелей, оставляя только пористую решетку из диоксида кремния, заполненную воздухом. Поэтому, рассматривая удивительные свойства аэрогелей, в настоящем обзоре рассматривается синтез аэрогелей диоксида кремния золь-гель методом, а также методы сушки и их применение в текущих промышленных разработках и научных исследованиях.

1. Введение

Быстрое развитие золь-гель методов в течение последних двух десятилетий привело к быстрому прогрессу в преднамеренном синтезе пористых материалов. Эти методы дополняют обычные процедуры, используемые для получения аморфных твердых веществ или стекол, такие как методы осаждения или пропитки с последующей высокотемпературной обработкой. Пористые материалы имеют огромное значение в различных приложениях, таких как адсорбция, зондирование и катализ, из-за их большой площади поверхности, пористости, регулируемого каркаса и свойств поверхности.Из всех известных твердых пористых материалов аэрогели особенно известны своим маленьким размером пор, большой удельной поверхностью и лучшим оптическим пропусканием. Кроме того, среди всех аэрогелей кремнеземные аэрогели стали довольно популярными, потому что они обладают широким спектром исключительных свойств, таких как низкая теплопроводность (~ 0,01 Вт / мК), высокая пористость (~ 99%), высокое оптическое пропускание (99%) в видимая область, высокая удельная поверхность (1000 м ² / г), низкая диэлектрическая проницаемость (~ 1.0–2.0), низким показателем преломления (~ 1.05) и низкой скоростью звука (100 м / с) [1–4].

Перед тем, как исследовать более подробную информацию о кремнеземных аэрогелях, мы сначала сделаем обзор истории изобретения аэрогеля и его развития. В 1930-х годах Сэмюэл Стивенс Кистлер впервые произвел кремнеземные аэрогели, сформулировав идею замены жидкой фазы газом с небольшой усадкой геля. Он приготовил аэрогели из многих других материалов, включая оксид алюминия, оксид вольфрама, оксид железа, оксид олова, тартарат никеля, целлюлозу, нитрат целлюлозы, желатин, агар, яичный белок и каучук, которые не подлежат обсуждению.Метод Кистлера включает утомительные и трудоемкие процедуры, и поэтому не было никакого последующего интереса к области аэрогелей до 1968 года, когда новое открытие аэрогелей имело место группой исследователей во главе с профессором С. Дж. Тайхнером из Университета Клода, Бернара, Лион, Франция. Они существенно упростили процедуру, осуществив золь-гель переход в растворителе, который затем удаляли в сверхкритических условиях. Первый детектор черенковского излучения на основе кремнеземных аэрогелей был разработан в 1974 году Кантином и др.С тех пор аэрогели использовались или рассматривались для использования в лазерных экспериментах, сенсорах, теплоизоляции, утилизации отходов, для расплавленных металлов, для оптики и световодов, электронных устройств, конденсаторов, устройств формирования изображений, катализаторов, пестицидов и сбора космической пыли. Совсем недавно несколько групп по всему миру начали работать в области кремнеземных аэрогелей для различных применений, упомянутых выше. Строго говоря, чтобы понять аэрогели кремнезема, необходимо сначала понять золь-гель химию и связанные с ней физико-химические аспекты.Далее мы обсудим золь-гель-химию, стратегию синтеза кремнеземных аэрогелей и некоторые недавние разработки в области применения аэрогелей.

2. Синтез аэрогеля с помощью золь-гель процесса

Золь-гель обработка — очень популярный и надежный метод синтеза материалов, особенно оксидов металлов с однородными, малыми размерами частиц и различной морфологией [5–10]. Он заключается в переходе системы из жидкой «золя» в твердую «гелевую» фазу. Обычно золь-гель процесс можно разделить на следующие стадии: формирование раствора, гелеобразование, старение, сушка и уплотнение.Некоторые из важных преимуществ золь-гель процесса — это его простота и тот факт, что он является экономичным и эффективным средством производства высококачественных материалов. Золь-гель обработка нашла применение при производстве высококачественных стекол для оптических компонентов и волокон, тонкопленочных покрытий и тонкодисперсных оксидных порошков [11–15].

2.1. Золь-гель процесс

Золь-гель процесс подразумевает синтез неорганической сетки путем химической реакции в растворе при низких температурах или образование аморфной сетки, препятствующей кристаллизации из раствора.Наиболее очевидной особенностью этой реакции является переход от коллоидного раствора (жидкости) в двух- или многофазный гель (твердое вещество), что привело к выражению «золь-гель процесс».

Образование однородных суспензий коллоидных частиц можно понять путем расчета скорости осаждения, предполагая, что частицы имеют сферическую форму, так что можно применить закон Стокса. Скорость оседания составляет где = вязкость окружающей среды, = радиус коллоидной частицы, = плотность материала коллоидной частицы, и = плотность окружающего материала.

Более ясно, золь представляет собой коллоидную суспензию твердых частиц в жидкости, в которой дисперсная фаза мала (1–1000 нм). Следовательно, гравитационная сила незначительна, а силы ближнего действия, такие как притяжение Ван-дер-Ваальса и поверхностные заряды, доминируют во взаимодействиях. Инерция дисперсной фазы достаточно мала, так что она демонстрирует броуновское движение, случайное блуждание, вызванное импульсом, передаваемым при столкновении с молекулами суспендирующей среды. Золь можно получить двумя способами: конденсацией и диспергированием частиц [16].Конденсация происходит путем зародышеобразования частиц до подходящего размера, тогда как диспергирование включает уменьшение крупных частиц до коллоидных размеров. Размер и свойства образующихся частиц зависят от относительной скорости этих двух процессов. Образование золя благоприятно, когда скорость зародышеобразования высока, а скорость роста кристаллов низкая. В зависимости от степени сшивания и процесса роста, в результате которого они образуются, неорганические кластеры могут быть коллоидными или полимерными по природе и могут иметь диаметр от 10 до 200.Для образования неорганических золей также требуются контролируемые условия, чтобы полученный золь был стабильным в отношении агломерации и осаждения. Некоторые факторы, такие как полярность растворителя, ионная сила реакционной среды и температура, могут использоваться для управления образованием золя.

Гелеобразование — это процесс, при котором сыпучий золь превращается в трехмерную твердую сеть, охватывающую среду растворителя. Гель — это полутвердое вещество, богатое жидкостью. Интересно отметить, что жидкость не позволяет твердой сети схлопнуться, а твердая сеть не позволяет жидкости вытекать [17].Точка гелеобразования обычно определяется по резкому увеличению вязкости и эластичной реакции на нагрузку. Для приготовления аэрогелей гелеобразование наиболее удобно индуцировать изменением pH реакционного раствора. Механическое состояние геля во многом зависит от количества поперечных связей в сети. Очевидно, что чем больше степень сшивки, тем более жесткая структура образуется.

2.2. Химия золь-гель процесса

Существует несколько параметров, которые влияют на реакции гидролиза и конденсации (золь-гель процесс), включая активность алкоголята металла, соотношение вода / алкоксид, pH раствора, температуру, природу растворителя, и использованная добавка.Еще одно соображение заключается в том, что катализаторы часто добавляют для регулирования скорости и степени реакций гидролиза и конденсации. Варьируя эти параметры обработки, можно получить материалы с различной микроструктурой и химией поверхности. Дальнейшая обработка «золя» позволяет изготавливать керамические материалы в различных формах. Тонкие пленки могут быть получены на куске подложки путем нанесения покрытия методом центрифугирования или окунания. Когда «золь» отливают в форму, образуется влажный «гель». При дальнейшей сушке и термообработке «гель» превращается в плотные керамические или стеклянные частицы.Если жидкость во влажном «геле» удаляется в сверхкритических условиях, получается высокопористый материал с чрезвычайно низкой плотностью, называемый «аэрогелем». Доказательства гидролиза и конденсации силиката с образованием полисиликатного геля и частиц наблюдаются во многих природных системах, таких как опалы и агаты [18]. Первый алкоголят металла был получен из SiCl ₄ и спирта Эбельменом, который обнаружил, что соединение загустевает под воздействием атмосферы, и Si- (OC ₂ H ₅ ) ₄ , следовательно, можно рассматривать как первое. «Прекурсор» для стеклообразных материалов [19].

2.3. Прекурсоры для золь-гель-обработки

Прекурсоры — это не что иное, как исходные материалы для золь-гель-процесса. (1) Прекурсоры должны быть растворимы в реакционной среде. (2) Они должны быть достаточно реактивными, чтобы участвовать в процессе гелеобразования [20].

Некоторые соли, оксиды, гидроксиды, комплексы, алкоксиды, ацилаты и амины используются в качестве предшественников, если они растворимы в соответствующих растворителях [21, 22]. Алкоксиды являются наиболее распространенными предшественниками золь-гель, поскольку они общедоступны.Брэдли и др. хорошо объяснили основную химию предшественника [23]. Очень сложно предсказать тип прекурсора, который будет использоваться для данной цели. Реакционная способность прекурсора зависит не только от его химической природы, но и от применяемых условий реакции [24]. По сравнению с предшественниками других элементов, способность Si формировать сетку больше образовывать гель [18]. Вот почему другие дорогие предшественники алкоксидов могут быть заменены более дешевыми, такими как алкоксид кремния, такие как TEOS, TMOS, и водорастворимый предшественник, такой как Na ₂ SiO ₃ для золь-гель обработки.

Гидрофобные аэрогели, полученные из предшественника без химической модификации поверхности, называются гидрофобными предшественниками, а гидрофильные — гидрофильными предшественниками, как указано в таблице 1.

9 9369 9034 99019 9 9369 i) Аэрогели — высокое оптическое пропускание (> 90%). Гидрофильные предшественники19 Гидрофобные предшественники Тетраметоксисилан (TMOS) Метилтриметоксисилан Тетраэтоксисилан (ТЭОС) Метилтриэтоксисилан (МТЭС) Метилтриэтоксисилан (MTES) (i) Аэрогели непрозрачные. (ii) Плотность <0,1 г / см 3 . (ii) Плотность> 0,1 г / см 3 . (iii) Твердые и хрупкие. (iii) Мягкие и гибкие.

2.4. Механизм реакции

2.4.1. Для алкоксида кремния

Силикатные гели синтезируются путем гидролиза мономерных тетрафункциональных и трифункциональных предшественников алкоксида кремния с использованием минеральной кислоты (например.g., HCl, C ₂ O ₄ H ₄ ) или основание (например, NH ₃ , NH ₄ OH) в качестве катализатора. При формировании сетки кремнезема происходят следующие золь-гель реакции [25, 26].

Гидролиз
(2) где R = винильные, алкильные или арильные группы.

Конденсация
(a) Конденсация воды: (3) (б) Конденсация спирта: (4)

2.4.2. Водорастворимые силикаты и минералы

Силикат натрия (Na ₂ SiO ₃ ) был и, вероятно, всегда будет самым дешевым источником относительно чистой кремниевой кислоты, из которой можно получить силикагель.Силикат натрия реагирует с водой с образованием кремниевой кислоты, а затем кремниевая кислота полимеризуется и образует силикагель, как показано в следующих реакциях: Кремниевая кислота конденсируется с образованием небольших частиц диоксида кремния, цепочек и, следовательно, образует сетку, в результате чего образуется силикагель, как показано ниже.

(6)

Кроме того, имеются некоторые сообщения о получении силикагелей с использованием алюмосиликатов, силикатов кальция, воллестонита и т. Д. [27–29].

Из реакций (2) — (5) видно, что структура золь-гель-стекла последовательно развивается как продукт последовательных реакций гидролиза и конденсации (и обратных реакций, т.е.например, этерификация и спиртовая или гидролитическая деполимеризация) [15]. Таким образом, знание механизмов и кинетики этих реакций даст представление о гелях и стеклах, полученных из геля.

Реакция гидролиза катализируется добавлением кислоты или основания [29]. Фактически, конечная форма гидролизованного кремнезема зависит от pH раствора. При низких уровнях pH (очень кислой) частица диоксида кремния имеет тенденцию образовывать линейную цепь с низкой плотностью сшивки. Это приводит к образованию мягкого геля, который является обратимым и может повторно диспергироваться в растворе.По мере увеличения значения pH количество поперечных связей между полимерными цепями также увеличивается. При высоком pH (высокоосновном) полимеры становятся более разветвленными, и количество поперечных связей увеличивается. При низком pH гидролиз происходит посредством электрофильной атаки на атом кислорода алкоксидной группы, тогда как при более высоком pH гидролиз и полимеризация происходят посредством нуклеофильной атаки на ион Si (). Атомы, ионы или группы, которые имеют сильное сродство к электронам, называются электрофилами, а положительные ионы — нуклеофилами.В общем, все электрофилы являются окислителями, а все нуклеофилы — восстановителями.

Обычно обнаруживается, что процесс гелеобразования протекает с растворением меньших сегментов и повторным осаждением на более крупных цепях, так что меньшие молекулы уменьшаются в количестве, но помогают более крупным молекулам расти до тех пор, пока они не образуют фрактальные агрегаты. Этот процесс называется созреванием Оствальда [30].

2.4.3. Гидрофильные и гидрофобные поверхности

Названия «гидрофобный» и «гидрофильный» происходят от сочетания «гидро», что означает вода по-гречески, «фобос» означает «ненавидеть» по-гречески, а «филик» означает «любящий» по-гречески.Эти термины описывают кажущееся отталкивание и притяжение между водой и поверхностями. Как показано на рисунке 1, гидрофильность или гидрофобность отличается от значения краевого угла: меньше или больше, чем. Когда поверхностная энергия твердого вещества низкая, оно отталкивает воду от своей поверхности и наоборот, проявляя гидрофобность или гидрофильность. В настоящее время гидрофобные поверхности используются в промышленности для различных целей, включая гидрофобные покрытия для предотвращения ржавчины, удаления масла из воды, управления разливами нефти и процессов химического разделения для разделения неполярных и полярных соединений.

Для синтеза гидрофобных и гидрофильных аэрогелей используются две основные стадии: (а) синтез алкоголя золь-гель процессом и (б) сушка алкоголя различными методами.

3. Сушка Alcogel

После образования геля в результате реакций гидролиза и конденсации образуется сетка Si – O – Si. Термин «старение» относится к укреплению гелевой сети; он может включать дальнейшую конденсацию, растворение и повторное осаждение частиц золя или фазовые превращения в твердой или жидкой фазах.В результате получается пористое твердое вещество, в котором задерживается растворитель. Процесс удаления большей части растворителя из геля (который в случае геля, полученного из алкоксида, состоит в основном из спирта и воды), называется сушкой. Во время процесса сушки происходит растрескивание гелевой сетки из-за капиллярных сил, которые возникают в мелких порах на границах раздела жидкость-пар. В этом случае применяется уравнение Лапласа, поскольку чем меньше радиус капилляра, тем выше поднимется жидкость или выше будет гидростатическое давление.Поскольку эта поверхностная энергия отвечает за подъем столба жидкости в капилляре, величина межфазного давления внутри капилляра может быть рассчитана путем уравновешивания статических сил, т. Е.

Диаметр пор в геле составляет порядка нанометров, поэтому гелевая жидкость должна оказывать высокое гидростатическое давление. Мениск в порах и силы поверхностного натяжения пытаются сблизить частицы, поскольку жидкость в порах испаряется. Эти силы могут действовать таким образом, что они пытаются разрушить поры и, следовательно, структуру.Таким образом, гели с очень мелкими порами имеют тенденцию к растрескиванию и усадке во время высыхания. Чтобы избежать этого стресса при высыхании, Кистлер описал первый синтез аэрогеля сверхкритической сушкой в ​​начале 1930-х годов [31], и с тех пор сообщалось о различных процессах синтеза аэрогеля. В 1970-х годах аэрогели кремнезема были синтезированы путем высокотемпературной сверхкритической сушки влажного геля, полученного гидролизом ТМОС в метаноле [32]. В 1980-х годах исследователи получили новое понимание потенциала аэрогелей, и были разработаны аэрогели на основе диоксида кремния на основе TEOS, синтез которых был менее дорогим и потреблял меньше токсичных источников по сравнению с аэрогелями на основе TMOS.Одновременно была внедрена технология низкотемпературной сверхкритической сушки с использованием жидкого диоксида углерода [33].

3.1. Сверхкритическая сушка Alcogel

В методах сверхкритической сушки гели сушат в критической точке для устранения капиллярных сил, как описано ниже.

Как только жидкость начинает испаряться из геля, поверхностное натяжение создает вогнутые мениски в порах геля. По мере продолжения испарения жидкости по периметру поры нарастают сжимающие силы, и она сжимается.В конце концов, поверхностное натяжение вызывает коллапс тела геля [34]. Чтобы предотвратить нарастание поверхностного натяжения, гель сушат сверхкритически в автоклаве, как показано на рисунке 2. Когда температура и давление в автоклаве повышаются выше критической точки (для метанола критическая температура и критическая температура значения давления равны и 7,9 МПа, соответственно), жидкость превращается в «сверхкритическую» жидкость, в которой каждая молекула может свободно перемещаться и поверхностное натяжение прекращается.Без поверхностного натяжения мениски не образуются. Затем пары медленно выпускаются из автоклава, пока давление в автоклаве не достигнет атмосферного давления. Наконец, автоклав продувают сухим азотом (~ 3 бар), чтобы удалить захваченные молекулы растворителя из высушенного геля. Этот метод сушки алкогольных напитков называется «сверхкритической сушкой». На рис. 3 показаны циклы давление-температура, соблюдаемые во время сверхкритической сушки спиртов.

3.2. Сушка при атмосферном давлении и химическая модификация поверхности

Традиционно аэрогели диоксида кремния были синтезированы с использованием методов сверхкритической сушки, но это имеет определенные ограничения с точки зрения экономической эффективности, непрерывности процесса и безопасности, поскольку для этого необходимы высокая температура и давление. приблизиться к критической точке. Если бы жидкий диоксид углерода использовался в качестве растворителя в процессе низкотемпературной сверхкритической сушки, химическая стойкость аэрогелей в атмосфере постепенно снизилась бы, поскольку частицы аэрогеля являются гидрофильными.Чтобы преодолеть эти проблемы, Бринкер представил коммерчески привлекательный метод сушки при атмосферном давлении для производства кремнеземного аэрогеля [35]. В этом процессе поверхность влажного геля химически модифицируется путем замены гидрофобных функциональных групп путем замены H в гидроксильных группах с последующей сушкой при атмосферном давлении. Поверхностные силанольные группы (Si – OH) на соседнем кремнеземном кластере претерпевают реакции конденсации, приводящие к необратимой усадке гелевой сетки во время сушки, как показано на рисунке 4.Этот процесс может создавать поверхности с чрезвычайно низкой энергией, что значительно снижает поверхностное натяжение. Следовательно, необходимо модифицировать поверхности алкогеля соответствующими модифицирующими агентами, чтобы поверхность аэрогеля стала гидрофобной.

Есть несколько веществ, способных изменять смачивающие свойства поверхности, то есть гидрофобные реагенты. К ним относятся метилтриметоксисилан (MTMS), гексаметилдисилазан (HMDZ), диметилхлорсилан (DMCS), диметилдихлорсилан (DMDC), триметилхлорсилан (TMCS), триметилэтоксисилан (TMES) и гексадецилтриметоксилан (HDT).Модификация поверхности гелей путем замены H из Si – OH на неполярные алкильные или арильные группы является важным этапом в методе сушки при атмосферном давлении. Это предотвращает реакции конденсации кластеров кремнезема и, как следствие, предотвращает усадку геля во время сушки. Поскольку сушка при атмосферном давлении может снизить стоимость производства аэрогелей, их важность изменилась с области чисто научного интереса на область практического использования.

3.3. Сублимационная сушка

Другой возможностью избежать межфазных границ между жидкой и газовой фазами во время сушки является сублимационная сушка.Поровая жидкость замораживается, а затем сублимируется в вакууме. Были попытки использовать этот метод для производства аэрогелей [36–38]. Однако период старения должен быть увеличен для стабилизации гелевой сетки, растворитель должен быть заменен растворителем с низким коэффициентом расширения и высоким давлением сублимации, а низкие температуры замерзания достигаются добавлением солей. Другой недостаток состоит в том, что сетка может быть разрушена из-за кристаллизации растворителя в порах. Поэтому криогели получают только в виде порошков.

4. Свойства и применение аэрогелей

Аэрогели обладают некоторыми уникальными свойствами, которые делают их привлекательными для науки и техники, как указано в таблице 2. Благодаря этим уникальным свойствам аэрогели используются для различных применений, как указано в таблице 3, а некоторые недавние приложения кратко обсуждаются ниже.

Свойство Значение Кажущаяся плотность 0.03–0,35 г / см 3 Площадь внутренней поверхности 600–1000 м 2 / г % твердых веществ 0,13–15% Средний диаметр пор ~ 20 нм Диаметр первичной частицы 2–5 нм Показатель преломления 1,0–1,08 Коэффициент теплового расширения 2,0-4,0 × 10-6 Диэлектрическая проницаемость ~ 1.1 Скорость звука 100 м / с

9 0017 Свойство Элемент Приложение 900 Теплопроводность (i) Лучший изолирующий твердый материал (i) Конструкция здания и изоляция оборудования (ii) Прозрачный (ii) Носители данных (iii) Выдерживают высокие температуры (iii) Автомобили, космические аппараты (iv) Легкий вес (iv) Солнечные устройства, солнечные бассейны Плотность / пористость (i) Легчайшее синтетическое твердое вещество ( i) Катализ (ii) Большая площадь поверхности (ii) Датчик 9 0019 (iii) Множественные составы (iii) Хранение топлива (iv) Ионный обмен (v) Фильтры для газообразных загрязняющих веществ (vi) Мишени для ICF (vii) Носители пигмента (viii) Шаблон Оптический (i) Прозрачный (i) Легкая оптика (ii) Низкий показатель преломления (ii) Черенковские детекторы (iii) Многокомпонентный (iii) Световоды Акустический (i) Низкая скорость звука (i) Звукоизолированные помещения (ii) Согласование акустического импеданса в ультразвуковых датчиках расстояния Механический (i) Эластичный (i) Поглотитель энергии (ii) Легкий вес (ii) Сверхскоростная ловушка для частиц Электрический (i) Самая низкая диэлектрическая проницаемость (i) Диэлектрики для ИС (ii) Высокая диэлектрическая прочность (ii) Прокладки для вакуумных электродов (iii) Высокая площадь поверхности (iii) ) Конденсаторы

4.1. Аэрогель как композит

Поскольку предшественник алкоксида кремния достаточно реакционноспособен для образования гелевых сеток с другими оксидами металлов, было проведено несколько исследований синтезированных аэрогелевых композитов на основе диоксида кремния для различных применений. Структурные и магнитные свойства нанокомпозитов кремнезем-аэрогель-оксид железа исследовали Casas et al. [39, 40]. На рис. 5 показан аэрогелевый композит диоксид кремния-диоксид титана, синтезированный сушкой при атмосферном давлении. Существует несколько отчетов, в которых описан синтез микроволокон диоксида кремния-диоксида титана [41], диоксида кремния-углерода, диоксида кремния и оксида алюминия [42] или порошка активированного угля [43].

4.2. Аэрогель как абсорбент

Синтез гибких и супергидрофобных аэрогелей и их использование для абсорбции органических растворителей и масел были изучены A. Venkateshwara Rao et al. [44, 45]. Они исследовали абсорбционную и десорбционную способность супергидрофобных аэрогелей кремнезема с использованием одиннадцати растворителей и трех масел. На рис. 6 показаны различные стадии абсорбции и десорбции органических жидкостей из аэрогеля.

Масса (м) жидкости, поднимающейся в капилляры (поры аэрогеля), определяется по следующей формуле:

Для жидкостей, полностью смачивающих поверхность, краевой угол смачивания равен нулю, а для таких поверхностей: или или

или где — радиус пор аэрогеля, — объем абсорбированной жидкости, — плотность жидкости и является константой для данного образца аэрогеля.Следовательно, из (10) следует, что масса поглощенной жидкости линейно увеличивается с увеличением поверхностного натяжения жидкости. Эластичные супергидрофобные аэрогели MTMS оказались эффективными абсорбентами масел и органических жидкостей.

4.3. Аэрогель как датчик

Аэрогели обладают высокой общей пористостью, хорошей доступностью пор и высокими поверхностно-активными центрами. Поэтому они являются потенциальными кандидатами для использования в качестве датчиков. Исследование Wang et al. [46] на тонких пленках аэрогеля наночастиц диоксида кремния показали, что их электрическое сопротивление заметно уменьшается с увеличением влажности.Они очень чувствительны к относительной влажности 40% и выше и работают с гистерезисом 3,3%, что связано с их пористой структурой. Ксерогели из того же материала, напротив, обладают очень низкой чувствительностью. Аэрогели с модифицированной поверхностью меньше подвержены влиянию влажности по сравнению с гидрофильными аэрогелями и могут использоваться в качестве антикоррозионных, гидрофобных агентов, как показано на Рисунке 7 [47].

Вуб и Чен-ян [48] изучали аэрогели для применения в биосенсорах. В этом исследовании мезопористые аэрогели были приготовлены при комнатной температуре путем золь-гель-полимеризации с ионной жидкостью в качестве растворителя и порообразующего агента.Свежеприготовленный аэрогель был охарактеризован с помощью различных инструментов, и было обнаружено, что он имеет высокую пористость и большую площадь внутренней сетевой поверхности. Свежеприготовленный аэрогель наносили на предметные стекла и успешно распознавали короткий человеческий ген ATP5O с помощью иммобилизованного олигонуклеотидного зонда на поверхности аэрогеля, как показано на рисунке 8. Большая улавливающая способность пористой структуры также была продемонстрирована при сравнении с плоской структурой. поверхность при высоких целевых концентрациях. Результаты показывают, что свежеприготовленный аэрогель может функционировать как субстрат распознавания нуклеотидных кислот.В этом отчете предлагается методика приготовления для синтеза мезопористого аэрогеля с использованием золь-гель процесса и использования большой площади поверхности и большого внутреннего пористого объема аэрогеля для молекулярного распознавания нуклеотидных кислот.

4.4. Аэрогель как материал с низкой диэлектрической проницаемостью

SiO _{2 Тонкие пленки аэрогеля} привлекли значительное внимание в приложениях IC из-за их уникальных свойств, таких как сверхнизкая диэлектрическая проницаемость, высокая пористость и высокая термическая стабильность.Park et al. исследовали тонкие пленки кремнеземного аэрогеля для межслойных диэлектриков, и измеренная диэлектрическая проницаемость составила примерно 1,9 [48–52]. Они производили аэрогелевые пленки со сверхнизкой диэлектрической постоянной для материалов из интерметаллических диэлектриков (IMD). Пленки аэрогеля SiO ₂ , имеющие толщину 9500, высокую пористость 79,5% и низкую диэлектрическую постоянную 2,0 были получены с помощью нового процесса сушки при комнатной температуре с использованием н-гептана в качестве сушильного растворителя.

4.5. Аэрогель как катализатор

Большая площадь поверхности аэрогелей приводит к множеству применений, таких как химический поглотитель для очистки разливов.Эта особенность также дает ему большой потенциал в качестве катализатора или носителя катализатора. Аэрогели способствуют гетерогенному катализу, когда реагенты находятся в газовой или жидкой фазе. Они характеризуются очень большой площадью поверхности на единицу массы, высокой пористостью, что делает их очень привлекательным вариантом для катализа. Некоторые из реакций, катализируемых аэрогелями, перечислены ниже.

Некоторые примеры аэрогелей в катализе
(1) Синтез нитрила из углеводородов с использованием оксида азота (NO) [53].(2) Изобутен может быть превращен в метакрилонитрил, реагируя с NO на аэрогеле оксида цинка [54]. (3) Синтез метанола из CO с использованием медно-циркониевого аэрогеля [55].

4.6. Аэрогель как носитель для хранения

Высокая пористость и очень большая площадь поверхности кремнеземных аэрогелей также могут быть использованы в качестве газовых фильтров, абсорбирующих сред для осушения и удержания отходов, инкапсулирующих сред и для хранения водородного топлива [54]. Частично спеченные аэрогели могут противостоять натяжениям на границе раздела газ / жидкость, поскольку их текстура усиливается во время спекания.Поэтому их можно использовать для хранения, сгущения или транспортировки жидкостей, например ракетного топлива. В последнем случае особенно выгоден небольшой вес аэрогелей. Аэрогель может использоваться в системах доставки лекарств благодаря их биосовместимости [56–58]. Углеродные аэрогели используются при создании небольших электрохимических двухслойных суперконденсаторов. Из-за большой площади поверхности аэрогеля эти конденсаторы могут быть от 1/2000 до 1/5000 размера электролитических конденсаторов аналогичного номинала [59].Суперконденсаторы с аэрогелем могут иметь очень низкий импеданс по сравнению с обычными суперконденсаторами и могут поглощать или создавать очень высокие пиковые токи. В настоящее время такие конденсаторы чувствительны к полярности и должны быть подключены последовательно, если требуется рабочее напряжение более 2,75 В.

4,7. Аэрогель как шаблон [60]

Hupp et al. использовали пленки аэрогеля кремнезема для сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Пленки мезопористого аэрогеля с большой площадью поверхности были приготовлены на проводящих стеклянных подложках. Нанесение атомного слоя было использовано для конформного покрытия шаблона аэрогеля TiO ₂ различной толщины с субнанометрической точностью.Мембраны из аэрогеля с покрытием TiO ₂ были включены в качестве фотоанодов в сенсибилизированные красителем солнечные элементы. Было обнаружено, что длина диффузии заряда увеличивается с увеличением толщины TiO ₂ , что приводит к увеличению тока и эффективности.

4.8. Аэрогель как теплоизолятор

Помимо высокой пористости и низкой плотности, одним из наиболее интересных свойств аэрогелей является их очень низкая теплопроводность. Аэрогели обладают очень малой теплопроводностью, ~ 1–10% от теплопроводности твердого тела, кроме того, они состоят из очень мелких частиц, связанных в трехмерную сеть с множеством «тупиков».Следовательно, перенос тепла через твердую часть аэрогеля происходит по очень извилистому пути и не особенно эффективен. Пространство, не занятое твердыми частицами в аэрогеле, обычно заполнено воздухом (или другим газом), если материал не герметизирован под вакуумом. Эти газы также могут переносить тепловую энергию через аэрогель. Поры аэрогеля открыты и позволяют газу (хотя и с трудом) проходить через материал.

4.8.1. В жилых помещениях, холодильниках, мансардных окнах и окнах.

Аэрогели из диоксида кремния

могут быть синтезированы с использованием недорогих прекурсоров при атмосферном давлении, что делает аэрогели пригодными для коммерческого использования.Аэрогели пропускают тепло только на одну сотую лучше, чем стекло нормальной плотности. Первое использование аэрогелей в жилых помещениях — в качестве изолятора в Solar Decathlon House Технологического института Джорджии, где он используется в качестве изолятора в полупрозрачной крыше. Аэрогели являются более эффективной формой изоляции с низкой плотностью, чем пенополиуретан, используемый в настоящее время для изоляции холодильников, транспортных средств-рефрижераторов и контейнеров. Пена вдувается в стены холодильника с помощью хлорфторуглерода (CFC) пропеллентов, химического вещества, которое является основной причиной разрушения стратосферного озонового слоя Земли.Замена пенных хладагентов, содержащих хлорфторуглероды, аэрогелями может помочь устранить эту проблему.

4.8.2. Производство одежды, одежды и одеял

Коммерческое производство «одеял» из аэрогеля началось примерно в 2000 году. Одеяло из аэрогеля представляет собой смесь кремнеземного аэрогеля и волокнистого армирования, которое превращает хрупкий аэрогель в прочный и гибкий материал. Механические и термические свойства продукта могут варьироваться в зависимости от выбора армирующих волокон, матрицы аэрогеля и успокаивающих добавок, включенных в композит.Aspen Aerogels Inc. из Мальборо, штат Массачусетс, выпустила продукт Spaceloft, недорогое и гибкое одеяло, которое включает тонкий слой аэрогеля, внедренный непосредственно в ткань. Другой тип аэрогелей — органические, которые состоят из атомов углерода и водорода. Альпинисты на Эверест использовали стельки из аэрогеля, а также спальные мешки с подкладкой из этого материала.

4.8.3. В Space

НАСА использовало аэрогели для улавливания частиц космической пыли на борту космического корабля Stardust. Частицы испаряются при столкновении с твердыми частицами и проходят через газы, но могут задерживаться в аэрогелях.НАСА также использовало аэрогель для теплоизоляции марсохода и скафандров [61, 62]. ВМС США оценивают нижнее белье из аэрогеля как пассивную термозащиту для дайверов [63].

5. Перспективы на будущее

Уникальные оптические, термические, акустические и механические свойства аэрогелей обусловлены сочетанием твердой сетки и наноразмерных пор, заполненных воздухом. Выбор прекурсоров и оптимизация параметров золь-геля определяют физические свойства конечного продукта аэрогеля.Сушка спиртов осуществляется методами сушки при сверхкритическом давлении или при атмосферном давлении, в зависимости от промышленного применения аэрогелей. Обширная химическая модификация открывает новые возможности для изучения свойств аэрогелей. Технологии сушки при атмосферном давлении, вероятно, удешевят промышленное производство и, таким образом, сделают аэрогели более конкурентоспособными. Самая важная область применения аэрогелей — это все виды теплоизоляции. Кроме того, аэрогели SiO ₂ обладают некоторыми физическими и экологическими преимуществами (нетоксичны, негорючие, легко утилизируются) по сравнению с большинством других материалов на рынке.

Благодарности

Работа поддержана DAPA и ADD. Один из авторов благодарит программу Brain Korea Phase-II за предоставление постдокторской стипендии BK-21.

Терри Мэтьюз

Извержения вулканов: низкое содержание кремнезема

Магма менее плотная, чем окружающая порода, и поднимается на поверхность через трещины и щели под поверхностью Земли, вызывая извержение лавы.

Содержание кремнезема в магме определяет толщину магмы, насколько легко она течет и насколько легко растворенные газы внутри магмы могут улетучиваться; поэтому содержание кремнезема определяет характеристики извержения вулкана, а также форму и размер образовавшегося вулканического конуса.

Магма с низким содержанием кремнезема очень текучая и легко извергается на поверхность через трещины и щели на поверхности. Со временем слои лавы образуют вулканический конус.Низкокремнистые вулканы характеризуются «тихими» извержениями. Лава способна легко вытекать из-под земли. Эти извержения производят много лавы, но очень мало пепла. Газ легко выходит из лавы. Со временем извержения слабого кремнезема образуют большой широкий конус.

Типичное извержение с низким содержанием кремнезема дает большое количество лавы.

Тектонические условия для извержений с низким содержанием кремнезема включают центры распространения, такие как Срединно-Атлантический хребет или Африканская рифтовая зона, а также асейсмические хребты или горячие точки, такие как Гавайские острова.

Базальты паводка

Если, однако, в лаве очень мало кремнезема, она не настолько толстая, чтобы вообще образовать конус, и она будет вытекать по поверхности Земли подобно наводнению. Побочные продукты этого потока обычно называют базальтами паводков.

Между 17 и 6 миллионами лет назад базальты паводка реки Колумбия покрыли часть поверхности Вашингтона, Айдахо и Орегона до глубины 9000 футов.

---

Извержения вулканов: высокое содержание кремнезема

Лава с высоким содержанием кремнезема густая, вязкая и не течет.Лава поднимается к поверхности, но слишком толстая, чтобы протиснуться через трещины и трещины в Земле.

Поскольку лава продолжает подниматься вверх, давление продолжает расти. Газ, содержащийся в лаве, не выделяется, потому что он «захвачен» вязкой жидкостью. Давление под вулканом будет продолжать расти, пока не превысит прочность материала вышележащей поверхности. В этот момент лава взорвется наружу, как шампанское из бутылки, когда пробка будет выпущена.

Эти типы извержений очень разрушительны и приводят к гибели многих людей.Тектоническая обстановка, вызывающая взрывные извержения, — это зона субдукции. К недавним взрывным извержениям относятся: гора Сент-Хеленс, гора Пинатубо и Монсеррат. На 4 рисунках ниже показано, как происходит сильное извержение кремнезема.

минерал кремнезема | Британника

Кварц встречается во многих разновидностях почти во всех типах магматических, осадочных и метаморфических пород. Он также был обнаружен в метеоритах и ​​в некоторых лунных породах.

Аметистовая жеода из Новой Шотландии, Кан.

Эмиль Яворский / Британская энциклопедия, Inc.

Кристаллы кварца не имеют центра симметрии или плоскостей симметрии и имеют одну кристаллографическую ось ( c ), перпендикулярную трем полярным осям ( a ), разнесенным на 120 °. Один конец полярной оси отличается от другого конца; когда к такой оси прикладывается механическое напряжение, на каждом конце возникают противоположные электрические заряды. Это приводит к важным приложениям в электронике, например, для регулирования частоты, а также в манометрах и других устройствах.Отсутствие плоскостей симметрии, параллельных вертикальной оси, позволяет кристаллам кварца существовать двух типов: левосторонние и правосторонние (энантиоморфизм). Левый кварц менее чем на 1 процент более распространен, чем правый кварц. Структурные тетраэдры спирали вверх через кристалл в смысле направленности, параллельной оси c . Точно так же, если поляризованный свет передается кристаллом кварца в направлении оси c , плоскость поворачивается в направлении вращения на десятки градусов на миллиметр, величина зависит от длины волны света.Это свойство используется в оптических приборах, таких как монохроматоры.

Требования к кристаллам высокой чистоты для электронных частот привели к развитию методов промышленного синтеза, основанных на различии растворимости кремнезема в зависимости от температуры. Кристаллы питательных веществ помещают в горячую часть автоклава, заполненного раствором, а ориентированный затравочный кристалл, свободный от двойникования, помещают в более холодную часть. Кристаллы весом в тысячи граммов можно вырастить за несколько недель.

Кварц имеет меньший диапазон химического состава, чем большинство других минералов, но обычно он содержит от десятков до сотен частей на миллион атомов алюминия, замещающих атомы кремния, с балансом заряда, поддерживаемым включением небольших атомов, таких как водород, литий, или натрий. Сообщалось также о замещении атомов кремния атомами титана, магния или железа, но анионное замещение (то есть замещение отрицательного иона, кислорода) ограничено, поскольку связь тетраэдров нарушена.

Кварцевые агаты из Мексики.

Предоставлено из коллекции Джозефа и Хелен Геттерман; фотография Джона Х. Джерарда / Британская энциклопедия, Inc.

Цветные разновидности кварца многочисленны и имеют множество причин. Большинство цветов являются результатом механически включенных примесей в мелкокристаллизованном или зернистом кварце, но некоторые крупнокристаллизованные разновидности, такие как аметист (фиолетовый), цитрин (желтый), молочный кварц, дымчатый кварц или морион (черный) или розовый кварц, могут быть окрашенными ионами, отличными от кремния и кислорода, которые встречаются в кристаллической структуре.Было показано, что небольшие доли железа, алюминия, марганца, титана, водорода и небольших щелочных атомов, таких как литий и натрий, составляют 1 процент по весу, что является причиной разного цвета. Термическая обработка или различные виды облучения в окислительной или восстановительной атмосфере используются для изменения одного цветового разнообразия на другой. Цитрин обычно получают путем термической обработки аметиста при 250–400 ° C (482–752 ° F), например.

Рутилированный кварц из Мадагаскара.

Предоставлено Полевым музеем естественной истории, Чикаго, фотография Джона Х.Жерар / Британская энциклопедия, Inc.

Кварц может содержать включения других минералов, таких как рутил (рутилированный кварц), турмалин, асбестоформные амфиболы или пластинчатые минералы, такие как слюда, оксиды железа или хлорит (авантюрин).

Направленное газофазное образование диоксида кремния и его значение для образования межзвездных силикатов

1.

Зюрис, Л. М. Химия околозвездных оболочек эволюционировавших звезд: от происхождения элементов до происхождения жизни. Proc. Natl Acad. Sci. США 103 , 12274–12279 (2006).

ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый

2.

Гуманс, Т. П. М. и Бромли, С. Т. Эффективное зародышеобразование силикатов звездной пыли посредством гетеромолекулярной гомогенной конденсации. пн. Нет. R. Astron. Soc. 420 , 3344–3349 (2012).

ADS CAS Google ученый

3.

Хеннинг Т. Космические силикаты. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 48 , 21–46 (2010).

ADS CAS Статья Google ученый

4.

Тиленс А.Г.М. в Nature’s Наноструктуры (редакторы Аманды С. Барнард и Хайбо Гуо) 361-384 (Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., 2012).

5.

Джонс, А. П. и Нут, Дж. А. III Уничтожение пыли в ISM: переоценка времени жизни пыли. Astron. Astrophys. 530 , A44 (2011).

ADS Статья Google ученый

6.

Wakelam, V. et al. Сети реакций для межзвездного химического моделирования: улучшения и проблемы. Space Sci. Ред. 156 , 13–72 (2010).

ADS CAS Статья Google ученый

7.

Ehrenfreund, P. & Charnley, S.Б. Органические молекулы в межзвездной среде, кометах и ​​метеоритах: путешествие от темных облаков к древней Земле. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 38 , 427–483 (2000).

ADS CAS Статья Google ученый

8.

Abplanalp, M. J. et al. Изучение межзвездных альдегидов и енолов как индикаторов неравновесного синтеза сложных органических молекул под действием космических лучей. Proc. Natl. Акад.Sci. США 113 , 7727–7732 (2016).

CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый

9.

Дрейн, Б. Т., Солпитер, Э. Э. Механизмы разрушения межзвездной пыли. Astrophys. J. 231 , 438–455 (1979).

ADS CAS Статья Google ученый

10.

Двек, Э. и Скало, Дж.М. Эволюция тугоплавких межзвездных зерен в окрестностях Солнца. Astrophys. J. 239 , 193–211 (1980).

ADS CAS Статья Google ученый

11.

Джонс, А. П., Тиленс, А. Г. Г. М., Холленбах, Д. Дж. И Макки, К. Ф. Разрушение зерна при толчках в межзвездной среде. Astrophys. J. 433 , 797–810 (1994).

ADS CAS Статья Google ученый

12.

Жуковска, С., Доббс, К., Дженкинс, Э. Б., Клессен, Р. С. Моделирование эволюции пыли в галактиках с многофазным неоднородным ISM. Astrophys. Дж. 831 , 147 (2016).

ADS Статья Google ученый

13.

Михаловски, М. Дж. Образование пыли через 680–850 миллионов лет после Большого взрыва. Astron. Astrophys. 577 , A80 (2015).

Артикул Google ученый

14.

Маккиннон Р., Торри П. и Фогельсбергер М. Образование пыли в галактиках, подобных Млечному Пути. пн. Нет. R. Astron. Soc. 457 , 3775–3800 (2016).

ADS Статья Google ученый

15.

Гейл, Х.-П. & Седлмайр, Э. Минеральное образование в звездных ветрах. I. Последовательность конденсации силикатных и железных зерен в стационарных потоках, богатых кислородом. Astron. Astrophys. 347 , 594–616 (1999).

ADS CAS Google ученый

16.

Reber, A.C. et al. Наночастицы оксида кремния раскрывают происхождение силикатных зерен в околозвездной среде. Нано. Lett. 6 , 1190–1195 (2006).

ADS CAS Статья PubMed Google ученый

17.

Reber, A.C. et al. От молекул SiO до силикатов в околозвездном пространстве: атомные структуры, закономерности роста и оптические признаки кластеров Si _n O _m . САУ Нано 2 , 1729–1737 (2008).

CAS Статья PubMed Google ученый

18.

Гобрехт Д., Черчнефф И., Саранги А., Плэйн Дж. И Бромли С. Образование пыли в богатой кислородом звезде AGB IK Tauri. Astron. Astrophys. 585 , А6 (2016).

ADS Статья Google ученый

19.

Гейл, Х.-П., Ветцель, С., Пуччи, А. и Таманаи, А. Формирование затравочных частиц для конденсации силикатной пыли путем зародышеобразования SiO. Astron. Astrophys. 555 , A119 (2013).

Артикул Google ученый

20.

Гейл, Х.-П., Шольц, М. и Пуччи, А. Силикатная конденсация в переменных Мира. Astron. Astrophys. 591 , A17 (2016).

Артикул Google ученый

21.

Тиленс, А.Г.М. Межзвездные истощения и жизненный цикл межзвездной пыли. Astrophys. J. 499 , 267–272 (1998).

ADS CAS Статья Google ученый

22.

Джонс, А. П. Формирование и выживание межзвездных и околозвездных зерен. Philos. Пер. R. Soc. Лондон. A 359 , 1961–1972 (2001).

ADS CAS Статья Google ученый

23.

Двек, Э. Железо: ключевой элемент для понимания происхождения и эволюции межзвездной пыли. Astrophys. Дж. 825 , 136 (2016).

ADS Статья Google ученый

24.

Дрейн, Б. Т. Космическая пыль — ближнее и дальнее. ASP Conf. Сер. 414 , 453–472 (2009).

ADS CAS Google ученый

25.

Краснокутский, С.A. et al. Формирование зерен оксида кремния при низкой температуре. Astrophys. J. 782 , 15 (2014).

ADS Статья Google ученый

26.

Руилле Г., Йегер К., Краснокутски С. А., Кребс М. и Хеннинг Т. Холодная конденсация пыли в ISM. Фарадей Обсудить. 168 , 449–460 (2014).

ADS Статья PubMed Google ученый

27.

В ISM силилидиновые радикалы (SiH) будут реагировать с молекулярным кислородом. В лаборатории была проведена реакция между D1-силилидином и молекулярным кислородом, чтобы выяснить потерю атомарного дейтерия из-за трудностей с получением силилидиновых радикалов.

28.

Suto, M. & Lee, L.C. Количественное исследование фотовозбуждения SiH ₄ в вакуумном ультрафиолете. J. Chem. Phys. 84 , 1160–1164 (1986).

ADS CAS Статья Google ученый

29.

Ито, У., Тоошима, Ю., Онуки, Х., Васида, Н., Ибуки, Т. Сечения поглощения SiH в вакууме ультрафиолетового излучения ₄ , GeH ₄ , Si ₂ H ₆ , и Si ₃ H ₈ . J. Chem. Phys. 85 , 4867–4872 (1986).

ADS CAS Статья Google ученый

30.

Гленевинкель-Мейер, Т., Барц, Дж. А., Торсон, Г. М. и Крим, Ф. Ф. Фотодиссоциация силана в ультрафиолетовом вакууме при 125.1 нм. J. Chem. Phys. 99 , 5944–5950 (1993).

ADS CAS Статья Google ученый

31.

Аврамов П.В. и др. Поверхности потенциальной энергии Si _m O _n образование кластеров и изомеризация. J. Phys. Chem. A. 109 , 6294–6302 (2005).

CAS Статья PubMed Google ученый

32.

Vernon, M. F. Рассеяние молекулярного пучка , Калифорнийский университет в Беркли (1983).

33.

Линстрем, П. Дж. И Маллард, У. Интернет-книга по химии NIST; Справочная база данных NISTStandard No. 69, http: //webbook.nist.gov (2001).

34.

Костко О., Ахмед М. и Метц Р. Б. Измерение фотоионизации в вакууме и ультрафиолете и ab initio расчет энергии ионизации газовой фазы SiO ₂ . J. Phys. Chem. А. 113 , 1225–1230 (2009).

CAS Статья PubMed Google ученый

35.

Ван, Л.-С., Ву, Х., Десаи, С.Р., Фан, Дж. И Колсон, С.Д. Фотоэлектронное спектроскопическое исследование малых кластеров оксида кремния: SiO ₂ , Si ₂ О ₃ и Si ₂ О ₄ . J. Phys. Chem. 100 , 8697–8700 (1996).

CAS Статья Google ученый

36.

Левин Р. Д. Динамика молекулярных реакций . (Издательство Кембриджского университета, 2005 г.).

37.

Миллер, В. Б., Сафрон, С. А. и Хершбах, Д. Р. Реакции обмена щелочных атомов с галогенидами щелочных металлов: сложный механизм столкновения. Обсудить. Faraday Soc. 44 , 108–122 (1967).

Артикул Google ученый

38.

Kaiser, R. I., Ochsenfeld, C., Head-Gordon, M., Lee, Y.T. & Suits, A.G. Совместное экспериментальное и теоретическое исследование образования межзвездных изомеров C ₃ H. Science 274 , 1508–1511 (1996).

ADS CAS Статья PubMed Google ученый

39.

Hao, Y., Xie, Y. & Schaefer, HF III Характеристики поверхности потенциальной энергии для реакции SiO + OH → SiO ₂ + H: связь с изотопным распределением кислорода в газовой фазе SiO ₂ формирование. RSC Adv. 4 , 47163–47168 (2014).

CAS Статья Google ученый

40.

Дарлинг, К. Л. и Шлегель, Х. Б. Теплоты образования SiH _n O и SiH _n O ₂ , рассчитанные ab initio методами молекулярной орбиты на уровне теории G-2. J. Phys. Chem. 97 , 8207–8211 (1993).

CAS Статья Google ученый

41.

Адамович И. и Гордон М.С. Поверхности потенциальной энергии для реакций Si + O ₂ . J. Phys. Chem. A. 108 , 8395–8399 (2004).

CAS Статья Google ученый

42.

Гомес Мартин, Дж. К. и Плэйн, Дж. М. К. Кинетические исследования химии кремния, имеющей отношение к атмосфере. Часть III: Реакции Si ⁺ и SiO ⁺ с O ₃ и Si ⁺ с O ₂ . Phys. Chem. Chem. Phys. 13 , 3764–3774 (2011).

Артикул PubMed Google ученый

43.

Краснокутский С. А. и Хьюскен Ф. Окислительные реакции атомов и кластеров кремния при сверхнизкой температуре в каплях гелия. J. Phys. Chem. A. 114 , 13045–13049 (2010).

CAS Статья PubMed Google ученый

44.

Лангер В. Д. и Глассголд А. Е. Химия кремния в межзвездных облаках. Astrophys. J. 352 , 123–131 (1990).

ADS CAS Статья Google ученый

45.

Ямаширо Р., Мацумото Ю. и Хонма К. Динамика реакции Si ( ³ P _J ) + O ₂ → SiO (X ¹ Σ ⁺ ) + O исследовали методом флуоресценции, индуцированной лазером с перекрестными лучами. J. Chem. Phys. 128 , 084308 (2008).

ADS CAS Статья PubMed Google ученый

46.

Dayou, F. et al. Сравнительное исследование динамики реакции Si + O ₂ → SiO + O на основе квазиклассических траекторий и статистических методов. J. Chem. Phys. 128 , 174307 (2008).

ADS Статья PubMed Google ученый

47.

Такакува Ю., Нихей М., Хори Т. и Миямото Н. Механизм термического окисления, основанный на образовании и диффузии летучих молекул SiO. J. Non-Cryst. Solids 179 , 345–353 (1994).

ADS CAS Статья Google ученый

48.

Гомес Мартин, Дж. К., Блитц, М. А. и Плэйн, Дж. М. К. Кинетические исследования химии кремния, имеющей отношение к атмосфере. Часть II: реакции монооксида кремния. Phys. Chem. Chem. Phys. 11 , 10945–10954 (2009).

Артикул PubMed Google ученый

49.

Bocherel, P. et al. Сверхнизкотемпературная кинетика реакций CH (X ² Π): коэффициенты скорости реакций с O ₂ и NO (T = 13-708 K) и с NH ₃ (T = 23-295 K). J. Phys. Chem. 100 , 3063–3069 (1996).

CAS Статья Google ученый

50.

Георгиевский Ю., Клиппенштейн С. Дж. Теория дальнодействующих переходных состояний. J. Chem. Phys. 122 , 194103 (2005).

ADS Статья PubMed Google ученый

51.

Немото, М., Судзуки, А., Накамура, Х., Сибуя, К. и Оби, К. Электронное тушение и химические реакции радикалов SiH в газовой фазе. Chem. Phys. Lett. 162 , 467–471 (1989).

ADS CAS Статья Google ученый

52.

Гебалле, Т. Р. и Ока, Т. Ключевой молекулярный ион во Вселенной и в лаборатории. Наука 312 , 1610–1612 (2006).

CAS Статья PubMed Google ученый

53.

Chen, J.-H. и другие. Наблюдения Herschel HIFI O ₂ в направлении Ориона: особые условия для ударной эмиссии. Astrophys. J. 793 , 111 (2014).

ADS Статья Google ученый

54.

Larsson, B. et al. Молекулярный кислород в облаке ρ Змееносца. Astron. Astrophys. 466 , 999–1003 (2007).

ADS CAS Статья Google ученый

55.

Liseau, R. et al. Многолинейное обнаружение O ₂ в направлении ρ Ophiuchi A. Astron. Astrophys 541 , A73 (2012).

Артикул Google ученый

56.

Goldsmith, P. F. et al. Измерения Гершеля молекулярного кислорода в Орионе. Astrophys. J. 737 , 96 (2011).

ADS Статья Google ученый

57.

Elsila, J., Allamandola, LJ & Sandford, SA Полоса твердого CO 2140 см ^-1 (4,673 мкм): случай для межзвездного O ₂ и N ₂ и фотохимия аналоги межзвездного неполярного льда. Astrophys.J. 479 , 818 (1997).

ADS CAS Статья PubMed Google ученый

58.

Vandenbussche, B. et al. Ограничения на содержание твердого O ₂ в плотных облаках по данным ISO-SWS и наземных наблюдений. Astron. Astrophys. 346 , L57 – L60 (1999).

ADS CAS Google ученый

59.

Билер А.и другие. Обилие молекулярного кислорода в коме кометы 67P / Чурюмов-Герасименко. Природа 526 , 678–681 (2015).

ADS CAS Статья PubMed Google ученый

60.

Taquet, V., Furuya, K., Walsh, C. & van Dishoeck, EF Изначальное происхождение молекулярного кислорода в кометах: исследование химической кинетики образования и выживания O ₂ льда из облака на диски. пн.Нет. R. Astron. Soc. 462 , S99 – S115 (2016).

Артикул Google ученый

61.

Петтерссон Л. Г. и Лангхофф С. Р. Теоретические электрические дипольные моменты SiH, GeH и SnH. Chem. Phys. Lett. 125 , 429–432 (1986).

ADS CAS Статья Google ученый

62.

Шильке П., Бенфорд Д. Дж., Хантер Т.Р., Лис, Д. К. и Филлипс, Т. Г. Линейный обзор Орион-KL от 607 до 725 ГГц. Astrophys. J. Suppl. Сер. 132 , 281–364 (2001).

ADS CAS Статья Google ученый

63.

Чой, К. Л. Химическое осаждение покрытий из газовой фазы. Прог. Матер. Sci. 48 , 57–170 (2003).

CAS Статья Google ученый

64.

Ясински, Дж. М. и Гейтс, С. М. Постепенное химическое осаждение кремния из газовой фазы: фундаментальные исследования химии гидрида кремния. В соотв. Chem. Res. 24 , 9–15 (1991).

CAS Статья Google ученый

65.

Пирсон, Х. О. Справочник по химическому осаждению из паровой фазы: принципы, технология и применение . (Уильям Эндрю, 1999).

66.

Вольф, С. и Таубер, Р.N. Обработка кремния для эпохи СБИС, Технологические процессы . 2-е изд., Т. 1 (Lattice Press, 2000).

67.

Адамс, А.С., Александер, Ф. Б., Капио, К. Д. и Смит, Т. Е. Характеристика осажденного плазмой диоксида кремния. J. Electrochem. Soc. 128 , 1545–1551 (1981).

CAS Статья Google ученый

68.

Бейти, Дж. И Тирни, Э. Низкотемпературное осаждение высококачественного диоксида кремния путем плазменного химического осаждения из газовой фазы. J. Appl. Phys. 60 , 3136–3145 (1986).

ADS CAS Статья Google ученый

69.

Ясински, Дж. М., Бесерра, Р. и Уолш, Р. Прямые кинетические исследования радикалов гидрида кремния в газовой фазе. Chem. Ред. 95 , 1203–1228 (1995).

CAS Статья Google ученый

70.

Birnstiel, T., Фанг, М. и Йохансен, А. Эволюция пыли и образование планетезималей. Space Sci. Ред. 205 , 41–75 (2016).

ADS Статья Google ученый

71.

Kaiser, R. I. et al. Раскрытие химической эволюции атмосферы и поверхности Титана — от гомогенного к гетерогенному химическому составу. Фарадей Обсудить. 147 , 429–478 (2010).

ADS CAS Статья PubMed Google ученый

72.

Parker, D. S. N. et al. Об образовании силциклопропенилидена (c-SiC ₂ H ₂ ) и его роли в химии кремнийорганического соединения в межзвездной среде. Astrophys. J. 770 , 33 (2013).

ADS Статья Google ученый

73.

Бауэр, В., Беккер, К. Х., Дюрен, Р., Хубрих, К. и Мейзер, Р. Измерения радиационного времени жизни SiH (A ² Δ) с помощью лазерно-индуцированной флуоресценции. Chem. Phys. Lett. 108 , 560–561 (1984).

ADS CAS Статья Google ученый

74.

Yang, T. et al. Совместное экспериментальное и теоретическое исследование образования неуловимой молекулы 2-метил-1-силациклопроп-2-енилидена в условиях однократного столкновения через реакции силилидинового радикала (SiH; X ² Π) с алленом (H ₂ CCCH ₂ ; X ¹ A ₁ ) и D4-аллен (D ₂ CCCD ₂ ; X ¹ A ₁ ). J. Phys. Chem. A. 119 , 12562–12578 (2015).

CAS Статья PubMed Google ученый

75.

Weiss, P. S. Динамика реакции электронно-возбужденных атомов щелочных металлов с простыми молекулами , Калифорнийский университет в Беркли (1986).

76.

Kaiser, R. I. et al. Образование ПАУ в условиях однократного столкновения: реакция фенильного радикала и 1,3-бутадиена с образованием 1,4-дигидронафталина. J. Phys. Chem. A. 116 , 4248–4258 (2012).

CAS Статья PubMed Google ученый

77.

Adler, T. B., Knizia, G. & Werner, H.-J. Простое и эффективное приближение CCSD (T) -F12. J. Chem. Phys. 127 , 221106 (2007).

ADS Статья PubMed Google ученый

78.

Даннинг, младший, Т.H. Базисные наборы Гаусса для использования в коррелированных молекулярных расчетах. I. Атомы бора через неон и водород. J. Chem. Phys. 90 , 1007–1023 (1989).

ADS CAS Статья Google ученый

79.

Петерсон, К. А., Адлер, Т. Б., Вернер, Х.-Дж. Систематически сходящиеся базисы для явно коррелированных волновых функций: атомов H, He, B-Ne и Al-Ar. J. Chem. Phys. 128 , 084102 (2008).

ADS Статья PubMed Google ученый

80.

Celani, P. & Werner, H.-J. Многопозиционная теория возмущений для больших ограниченных и выбранных опорных волновых функций активного пространства. J. Chem. Phys. 112 , 5546–5557 (2000).

ADS CAS Статья Google ученый

81.

Werner, H.-J. и другие. Molpro, версия 2010.1, Пакет программ Ab Initio. (TTI GmbH, Штутгарт, Германия 70173, 2010 г.).

82.

Кислов, В. В., Нгуен, Т. Л., Мебель, А. М., Лин, С. Х. и Смит, С. С. Фотодиссоциация бензола в бесстолкновительных условиях: исследование ab initio / Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus. J. Chem. Phys. 120 , 7008–7017 (2004).

ADS CAS Статья PubMed Google ученый

83.

Трухлар, Д.Дж. И Гарретт Б. С. Вариационная теория переходных состояний. Annu. Rev. Phys. Chem. 35 , 159–189 (1984).

ADS CAS Статья Google ученый

84.

Трухлар Д.Г., Исааксон А.Д. и Гарретт Б.С. в теории динамики химических реакций Vol. 4 (под ред. М. Бэра) 65-137 (CRC Press: Бока-Ратон, Флорида, США, 1985).

85.

Chai, J.-D. И Хед-Гордон, М. Скорректированные на большие расстояния гибридные функционалы плотности с поправками на затухающую атомно-атомную дисперсию. Phys. Chem. Chem. Phys. 10 , 6615–6620 (2008).

CAS Статья PubMed Google ученый

Прямое электролитическое растворение силикатных минералов для уменьшения выбросов CO2 в воздухе и образования углерод-отрицательного h3

Реферат

Мы экспериментально демонстрируем прямую связь растворения силикатных минералов с электролизом соленой воды и производством H ₂ для значительного воздействия на CO _{в воздухе 2} абсорбция, химическое преобразование и хранение в растворе.В частности, мы наблюдали увеличение концентрации OH ^— в 10 ⁵ раз (увеличение pH до 5,3 единиц) по сравнению с экспериментальным контролем после электролиза 0,25 М растворов Na ₂ SO ₄ . когда анод был заключен в порошкообразный силикатный минерал, волластонит или ультраосновной минерал. После электролиза полное уравновешивание подщелачиваемого раствора воздухом привело к значительному снижению pH и увеличению концентрации растворенного неорганического углерода в 45 раз.Это продемонстрировало значительное самопроизвольное улавливание, химическое преобразование и хранение CO ₂ в воздухе в виде бикарбоната, преимущественно в виде NaHCO ₃ . Избыток ОН ^—, первоначально образовавшийся в этих экспериментах, по-видимому, был результатом нейтрализации анолитной кислоты, H ₂ SO ₄ , реакцией с силикатом основного минерала на аноде с образованием сульфата минерала и кремнезема. Это позволило NaOH, обычно образующемуся на катоде, не нейтрализоваться и накапливаться в объеме электролита, в конечном итоге вступая в реакцию с атмосферным CO ₂ с образованием растворенного бикарбоната.Использование неядерных или непиковых возобновляемых источников электроэнергии, оптимизированные системы в крупном масштабе могут обеспечить относительно высокую мощность, энергоэффективность (<300 кДж / моль захваченного CO ₂ ) и недорогую (<100 долларов США за тонну CO ₂ уменьшенного выброса). удаление избытка воздуха CO ₂ с получением углеродно-отрицательного H ₂ . Кроме того, при добавлении в океан полученные гидроксид и / или (би) карбонат могут быть полезны для снижения выбросов CO ₂ в атмосферу из моря в воздух, а также для нейтрализации или компенсации последствий продолжающегося подкисления океана.

Обилие силикатных минералов и их способность реагировать с CO ₂ с образованием стабильных карбонатов и бикарбонатов делает их актуальными для усилий по смягчению воздействия CO ₂ (например, ссылки 1–4). Глобальная способность этих реакций к умеренному атмосферному CO ₂ очевидна в центральной роли, которую выветривание силикатных минералов играет в естественном потреблении избыточного атмосферного CO ₂ в геологических временных масштабах (5). Действительно, были предложены различные методы для ускорения этого природного геохимического сокращения выбросов CO ₂ (6⇓⇓ – 9).

Хотя силикатное выветривание происходит чрезвычайно медленно в условиях окружающей среды, растворение силикатного минерала и последующая реакция с CO ₂ может быть значительно увеличена в сильных кислотах и ​​/ или основаниях (ссылка 10 и ссылки в нем). Поскольку в электролизерах с соленой водой образуются очень большие градиенты pH [pH анолита <2, pH католита> 12 (11)], было рассмотрено, что размещение силикатной минеральной массы в прямом контакте с такими растворами будет способствовать их растворению до металла и силиката. ионы.После образования положительно заряженные ионы металла могут мигрировать к отрицательно заряженному католиту с образованием гидроксида металла, тогда как отрицательно заряженные ионы силиката будут реагировать с анолитом, обогащенным H ⁺ , с образованием кремниевой кислоты, кремнезема и / или других соединений кремния. (Рис.1 A ).

Рис. 1.

Схемы для увеличения производства гидроксида и последующего улавливания воздуха CO ₂ в электролизере с соленой водой в присутствии силикатного минерала металла.( A ) Силикат металла расщепляется, причем двухвалентный минеральный металл (M _m ) образует гидроксид. Расходуется только силикатный минерал и вода. ( B ) И силикат металла, и электролит соли металла постоянно разделены, причем одновалентная соль металла (M _s ) образует гидроксид, а анионы M _m и электролита образуют стабильную соль металла (M _m Y). Здесь расходуются силикатный минерал, электролитная соль и вода.

Альтернативно или дополнительно, силикат металла может реагировать и нейтрализовать промежуточную кислоту, обычно образующуюся в анолите солевой электролизной ячейки, тем самым позволяя промежуточному гидроксиду (образуемому на катоде в результате расщепления соли и воды) не нейтрализоваться и накапливаться в объемный электролит (рис.1 В ). В любом случае контактирование полученного раствора гидроксида с CO ₂ приведет к улавливанию и хранению CO ₂ в виде бикарбоната или карбоната металла (рис. 1).

Ранее было предложено, чтобы растворение силикатных минералов было косвенно связано с электролитическим процессом типа хлористо-щелочного металла, чтобы обеспечить улавливание и хранение CO ₂ в воздухе (7). Здесь расщепление NaCl и H ₂ O даст NaOH _(вод.) , Cl _{2 (г)} и H _{2 (г )} (водный, водный; г, газообразный).NaOH будет контактировать с воздухом для улавливания и преобразования окружающего CO ₂ : NaOH + CO ₂ → NaHCO _{3 (водн.)} , тогда как H ₂ и Cl ₂ будут вступать в экзотермическую реакцию в топливе. ячейка для производства электричества и HCl. Последний затем будет нейтрализован посредством спонтанной реакции с силикатными минералами с образованием хлоридов металлов, которые вместе с NaHCO _{3 (водн.)} , предположительно, могут безопасно храниться в океане.

Впоследствии было продемонстрировано (12), что значительно повышенные концентрации pH и гидроксида (по сравнению с контрольными) могут быть достигнуты в объемном электролите во время электролиза морской воды (естественно содержащей 0.48 M NaCl), когда анод заключен в пористую карбонатную минеральную (CaCO ₃ ) массу. Затем уравновешивание электролита воздухом нейтрализует pH за счет реакции воздуха CO ₂ с избытком гидроксида с образованием растворенных бикарбонатов. Эта схема позволяла принимать непосредственное участие минерального карбоната в электролизе соленой воды и образовании гидроксида без необходимости отдельного производства кислоты для топливных элементов. Именно эту основную схему мы стремились протестировать в контексте ускорения растворения силикатных минералов и улавливания воздуха CO ₂ в качестве дополнения к традиционному электролизу солевой воды.Подробности проведенных экспериментов описаны в Материалах и методах .

Такие подходы потенциально могут быть более энергоэффективными и менее опасными для окружающей среды, чем более широко обсуждаемые химические методы улавливания и концентрации CO ₂ (например, ссылки 13⇓⇓⇓⇓ – 18). Это потому, что они избегают: ( i ) энергоэффективной регенерации основы / сорбента и производства высококонцентрированного молекулярного CO ₂ и ( ii ) необходимости гарантировать долгосрочное связывание последнего летучего соединения.Методы рентабельного производства и использования гидроксидов в прямоточных схемах также позволяют использовать массовый контакт с воздухом, предлагаемый естественными водоемами (например, океаном, в отличие от дорогостоящих инженерных воздушных контакторов) для воздействия на воздух CO ₂ абсорбция и химическое преобразование в экологически полезные морские (би) карбонаты в растворе в глобальном масштабе (7, 12, 19, 20). Возможно, более важно то, что стратегическое добавление химической основы к поверхности океана в местах, где / где концентрация растворенного CO ₂ превышает концентрацию в вышележащей атмосфере [e.g., области апвеллинга (21)] потребляли бы часть избыточного растворенного CO ₂ и, таким образом, избегали бы его дегазации в атмосферу. Это затем уменьшило бы некоторые из> 300 гигатонн (Гт) валовых выбросов CO ₂ в год в океане (22) и, следовательно, пропорционально уменьшило бы бремя CO ₂ в атмосфере без необходимости выполнять более сложную задачу: непосредственное удаление CO ₂ из воздуха. Кроме того, удаление избыточного CO ₂ в океане требуется для любой эффективной схемы улавливания CO ₂ в воздухе, поскольку удаление только CO ₂ из воздуха просто снизит концентрацию CO ₂ в воздухе по сравнению с концентрацией в океане.Это приводит к увеличению потока CO ₂ из океана в воздух, в значительной степени замещая удаленный CO ₂ в воздухе (23). Таким образом, схемы, которые потребляют / удаляют и улавливают избыток CO ₂ в океане (например, ссылки 24, 25), эффективно решают проблему как избыточного CO ₂ в океане, так и CO ₂ в воздухе, избегая необходимости прямого улавливания CO ₂ в воздухе.

Результаты и обсуждение

Экспериментальные процедуры обсуждаются в Материалах и методах , а результаты представлены в Таблице 1.По сравнению с несиликатными контролями, резкое увеличение pH раствора наблюдалось в конце электролиза 0,25 M растворов Na ₂ SO ₄ , когда силикатные минералы присутствовали в анолите, при этом pH достигал 11,1 в ультраосновных породах ( УМ-4) после 1,5 ч электролиза. Это представляло увеличение [OH ^— ] на 3 мМ по сравнению с контрольным раствором, <0,02 мМ. Ночная аэрация растворов [то есть полное уравновешивание воздуха и раствора ( Materials and Methods )] привела к значительно более низкому и стабильному pH раствора, достигающему 1.Увеличение концентрации общего растворенного неорганического углерода (DIC) на 6 мМ. Такая нейтрализация основания и увеличение DIC предположительно происходили через CO _{2 (воздух)} + OH ^— → HCO ₃ ^— , реакция, которая доминировала бы при наблюдаемых значениях pH.

Таблица 1.

Соответствующие химические и электрические измерения до, во время и после электролиза, а также после аэрации электролита

Неожиданно, концентрации раствора Ca ²⁺ и Mg ²⁺ при минеральных обработках не были постоянно повышены по сравнению с контролем. , и эти концентрации могут составлять только <16% от концентрации, необходимой для балансировки произведенного HCO ₃ ^— (Таблица 1).Мы подозреваем, что переменное выщелачивание Ca ²⁺ и Mg ²⁺ из бумажных фильтров, используемых в экспериментах, могло способствовать наблюдаемым концентрациям и изменчивости. В любом случае, нехватка этих катионов по сравнению с производимыми гидроксидом и бикарбонатом (таблица 1) предполагает, что основная масса этих анионов была уравновешена первичным катионом электролита Na ⁺ . Отсутствие видимого осаждения на обнаженном катоде и в электролите во всех экспериментах является дополнительным доказательством того, что более растворимый NaHCO ₃ , а не относительно нерастворимые (би) карбонаты кальция или магния, преобладали в производимых ДИК.

Предыдущий сценарий имел бы место, если бы H ₂ SO ₄ , образующийся на аноде и обычно нейтрализатор катодно генерируемого NaOH, вместо этого вступил в реакцию с силикатной минеральной массой, что позволило бы NaOH накапливаться в объеме электролита ( например, Рис.1 B ). Реакция минерального силиката / серной кислоты приведет к образованию сульфата металла и гидратированного кремнезема; например, MgSiO ₃ + H ₂ SO ₄ → MgSO ₄ + H ₂ SiO ₃ .В качестве альтернативы, сильнокислый анолит может способствовать изменению силикатной минеральной массы, поскольку H ₃ O ⁺ обменивается на катионы металлов минерала, оставляя после себя богатый кремнеземом слой, подобный аморфному твердому кремнезему SiO _{2 (s)} (26). Затем осаждение сульфата металла удаляет ионы Ca / Mg из раствора. Скорость реакции в этом сценарии, вероятно, будет определяться диффузией и кинетикой ионного обмена H ₃ O ⁺ / металл для быстро реагирующих цепных силикатов, изучаемых здесь (например,г., исх. 26, 27).

В любом случае, образование кремнезема, SiO _{2 (s)} , считается конечной судьбой исходного минерального силикатного фрагмента. Если кремнезем и / или сульфаты осаждаются на аноде или вокруг него, это может потенциально снизить проводимость и со временем ослабить ток в ячейке; однако этого не наблюдалось в сроки проведенных экспериментов.

Таким образом, из имеющихся данных можно сделать вывод о следующей первичной сетевой реакции для экспериментов UM-4:

Для экспериментов с волластонитом:

В _DC означает напряжение постоянного тока.Хотя детали участвующих реакций еще предстоит выяснить, была продемонстрирована способность значительно усилить абсорбцию атмосферного CO ₂ в солевой раствор за счет стратегического добавления силикатных минералов и применения электричества постоянного тока.

Одно из следствий предыдущих наблюдений состоит в том, что глобально обильные и относительно недорогие силикатные минералы и соленая вода (морская вода, а также природные или искусственные рассолы) могут подвергаться реакции с использованием несридных и / или непиковых возобновляемых источников энергии, чтобы вызвать спонтанный захват воздуха CO ₂ и его длительное хранение в виде бикарбоната или, возможно, карбоната (рис.2). Когенерация ценных углеродно-отрицательных H ₂ и O ₂ или Cl ₂ может помочь компенсировать затраты или может позволить некоторое восстановление энергии, например, посредством преобразования топливных элементов в электричество с производством пресной воды или кислоты. Хотя очевидно, что необходимы дальнейшие исследования, в следующих разделах рассматривается возможность проведения такого процесса в глобально значимых масштабах.

Рис. 2.

Схема входов и выходов электролиза соленой воды в присутствии силикатных минералов для образования водорода и кислорода или хлора и для получения гидроксида для чистого удаления CO ₂ и хранения в виде (би) карбоната.Пунктирная линия обозначает возможность предотвращения удаления соли из электролита путем образования и сбора нерастворимых карбонатов, атомы металлов которых происходят из силикатного минерала (рис. 1 A ). Это позволит рециркулировать нехлоридную соль / электролит. В _DC , постоянное напряжение.

Проблемы для крупномасштабного приложения.

Термодинамика и затраты энергии.

В случае экспериментов UM-4 теоретические минимальные затраты энергии, необходимые для реакции 1, составляют 137 кДж / моль CO ₂ (∆G ^o , свободная энергия Гиббса при концентрации 1 M при стандартной температуре и давление).Схема реакции для волластонита (реакция 2) имеет ∆G ^o , равное 110 кДж / моль CO ₂ . Эти минимальные энергии сопоставимы с ∆G ^o , равным 237 кДж / моль H ₂ или 118,5 кДж / моль образовавшегося OH ^— (т.е. 118,5 кДж / моль CO ₂ , потенциально вступившего в реакцию с OH ^— ) в католите при обычном электролизе воды. Фактические затраты энергии, наблюдаемые в наших экспериментах, варьировались от 426 до 481 кДж электроэнергии (кДж _e ) / моль CO ₂ , что подразумевает энергоэффективность в диапазоне от 23% до 32% (Таблица 2).

Таблица 2.

Энергия, затраченная на моль CO ₂ , захваченная и сохраненная в экспериментах

Поскольку химическая работа обычно может выполняться в промышленных системах электролиза с КПД ≥50% (28, 29), потенциальные реализованные затраты на энергию электролиза будет <274 кДж _e / моль CO ₂ (таблица 2). В подтверждение этих оценок, реализованные затраты на электроэнергию в промышленных электролизерах щелочной воды составляют примерно 385–500 кДж _e / моль H ₂ (28) или 190–250 кДж _e / моль OH ^— , произведенного внутри компании. (или 190–250 кДж _e / моль CO ₂ потенциально потребляемого).

Хотя мы не рассматривали детально проект всей системы, мы можем оценить дополнительные потребности в энергии для основных компонентов. Добавление к этим системам непассивного контакта с воздухом может увеличить потребность в энергии примерно на 30 кДж / моль CO ₂ (16). Дальнейшая перекачка / перекачка вспомогательной жидкости, газа и твердых веществ может добавить дополнительные 30 кДж / моль CO ₂ , в результате чего общие затраты энергии составят <334 кДж / моль захваченного и сохраненного CO ₂ . Эта оценка ниже, чем у ранее описанных систем улавливания воздуха на основе реакции NaOH / Ca (OH) ₂ с воздухом CO ₂ (14, 16, 17) (Таблица 2), в первую очередь из-за энергоемкости, низкой -эффективность термической регенерации NaOH / Ca (OH) ₂ и концентрации молекулярного CO ₂ исключены.

Чтобы максимизировать преимущества снижения выбросов CO ₂ , электричество для электрохимического процесса должно поступать из нефоссильных источников (рис. 2). Их много во всем мире, и в некоторых случаях поставляемая электроэнергия может быть дешевле, чем обычная электросеть, если ( i ) она производится и используется на местном уровне, что снижает затраты на передачу энергии, и / или ( ii ) в непиковые периоды. , используется возобновляемая электрическая сеть (30). Предполагая, что удельная мощность извлекаемой энергии ветра равна 10.8 терраджоулей электроэнергии км ⁻² y ⁻¹ (30) тогда подразумевает потребность в площади суши или океана <7 × 10 ⁵ км ² ⋅Gt ⁻¹ CO ₂ захваченных в год только для сбора энергии, или, самое большее, около 0,13% поверхности земли для удаления 1 Гт CO ₂ в год. Этот след был бы уменьшен, если бы использовались источники энергии с более высокой плотностью (например, геотермальная, солнечная, ядерная).

Кроме того, вместо развертывания нового производства неископаемой энергии для этого предлагаемого производства углерода с отрицательным выбросом углерода, можно было бы получить более рентабельную выгоду от выбросов углерода, просто подключив эту энергию к сети, тем самым заменив использование ископаемой энергии и выбросы CO ₂ ? Предполагая, что требуется 300 кДж _e на моль CO ₂ уловленного и сохраненного (или 0.147 г CO ₂ удаляется на использованное _e кДж), тогда это можно сравнить со средним показателем 0,155 г CO ₂ , выделяемым на _e кДж, произведенным при производстве электроэнергии в Соединенных Штатах (31). Согласно этому расчету, простое добавление возобновляемой энергии в сеть будет иметь небольшое преимущество перед силикатным электролизом в отношении управления углеродом. Гораздо большее преимущество было бы получено, если бы возобновляемая электроэнергия была специально заменена более углеродоемким производством электроэнергии на угле.Однако в этих расчетах игнорируются дополнительные преимущества силикатного электролиза, которые включают: ( i ) производство и использование углеродно-отрицательного H ₂ для потенциальной компенсации использования бензина и выбросов (см. Ниже) и ( ii ) щелочность океана. производство, помогающее нейтрализовать или компенсировать последствия закисления океана.

Силикатные минералы.

Многие обычные силикатные породы имеют соответствующий состав для обеспечения щелочности, необходимой для преобразования CO ₂ в (би) карбонат.Данная масса базальта может преобразовать около одной трети своего веса CO ₂ в бикарбонат, основываясь на реакционных равновесиях для типичных базальтовых композиций и с учетом образования соответствующих фаз изменения глины (7). Базальты также являются наиболее распространенным типом горных пород в земной коре, с их глобальной массой, которая затмевается, что необходимо для преобразования всего нынешнего и будущего антропогенного CO ₂ . Например, масса базальтов реки Колумбия только в Соединенных Штатах оценивается в более чем 500 миллионов Гт (32), или в 10 ⁴ раз больше, чем необходимо для устранения возможных общих кумулятивных антропогенных выбросов в 20 000 Гт CO ₂ .Если бы базальты можно было использовать для этого процесса, они обеспечили бы практически неограниченные запасы как с точки зрения общей массы, так и с точки зрения географической доступности (33).

Менее щелочные магматические породы, такие как андезиты и граниты, также широко распространены и могут легко обеспечить необходимую щелочность для нейтрализации кислоты / CO ₂ . Кроме того, можно использовать многие незрелые обломочные породы, такие как грейвакки и аркозы. Более высокая реакционная способность горных пород может быть реализована путем выбора более стеклянных вулканических пород в качестве исходного материала, поскольку известно, что они растворяются намного быстрее, чем их кристаллические эквиваленты (27).Использование щелочноземельных алюмосиликатных минералов, вероятно, будет менее выгодным, поскольку их скорости растворения на несколько порядков ниже, чем у минералов, использованных в вышеупомянутых экспериментах. Здесь обмен H ₃ O ⁺ на Na, Ca или Mg в алюмосиликатах в конечном итоге будет ограничен гораздо более медленным разрывом каркасных силикатных связей на границе раздела минерал – раствор (например, ссылки 34⇓ – 36 ).

Что касается штрафов за энергию и углерод за добычу, измельчение и транспортировку минералов, несколько исследований (2, 9, 37) показывают, что в зависимости от обстоятельств эти затраты будут небольшими по сравнению с другими затратами на энергию системы (например,g., электролиз) и относительно потенциала удаления CO ₂ системы. Это основано на предположении, что измельчение силикатных минералов до чрезвычайно мелких частиц (например, 1 мкм) не потребуется для процесса (9). Значительные количества ранее существовавших частиц силикатных минералов и фрагментов также доступны за небольшую плату или бесплатно в определенных местах (2). Наиболее рентабельные источники / типы силикатных минералов, размеры частиц и расположение для предлагаемого процесса еще предстоит определить.

Электролиты и образование хлора.

Природные хлоридные растворы, такие как морская вода, внутренние рассолы и подземные соленые грунтовые воды, представляют собой наиболее распространенные и, следовательно, самые дешевые электролиты, но Cl ₂ , а не O ₂ , обычно образуется при электролизе такие решения. В случае небезопасного потребления или использования крупномасштабный выброс Cl ₂ может создать серьезные экологические риски. Избежать таких выбросов можно следующим образом: ( i ) использование кислород-селективных анодов (11), ( ii ) использование электродов с высокой или низкой плотностью тока (11), ( iii ) ) использование ионоселективных мембран для исключения попадания хлорид-иона в анолит, ( iv ) отвод H ₂ , образующегося на катоде, на газодиффузионный анод, или ( v ) использование менее распространенных нехлоридных солей как в описанных здесь экспериментах.Предотвращение частичного или полного выделения газа снизило бы общую требуемую электрическую энергию, но при этом лишилось бы выгод / доходов от добычи газа.

Другие проблемы, связанные с использованием природных хлоридных растворов, включают возможное образование вредных галогенированных органических соединений, а также осаждение неорганических соединений и загрязнение электродов, особенно катода (7). Чтобы избежать этих проблем, более чистые искусственные хлоридные электролиты могут быть образованы из коммерческих минералов или испаряющегося NaCl (7), если имеется рентабельный источник воды.Кратковременное изменение полярности электродов может быть полезным для удаления накипи / отложений на электродах, и / или может потребоваться периодическая физическая очистка электродов.

За исключением обилия недорогих источников, использование нехлоридных электролитов, по-видимому, диктует необходимость их сохранения и вторичного использования, а не одноразового использования. Одним из способов достижения этого является осаждение и сбор захваченного углерода в виде твердого карбоната, металлическая составляющая которого получена из минерального силиката (рис.1 A ), а не из катионов электролита (рис. 1 B ). Это позволит избежать потерь электролита при однократном удалении растворенного бикарбоната, но также потребует подпитки водой. Это также снизит эффективность улавливания и хранения углерода в системе: только 1 моль углерода может храниться (в виде карбоната) на моль катионов металлов по сравнению с 2 молями углерода на моль катионов металлов, если образуются бикарбонаты металлов. Способность осаждать карбонаты металлов, металл которых является производным минеральных силикатов, хотя теоретически возможна (рис.1 A ), еще предстоит продемонстрировать.

Контакт с воздухом.

Хотя абсорбция CO ₂ производимым гидроксидом может происходить внутри электролизной ячейки, для повышения эффективности и емкости контакта с воздухом обогащенный гидроксидом раствор, скорее всего, будет периодически или непрерывно удаляться из ячейки и использоваться на воздухе. контактные устройства (например, ссылки 14, 16, 17). Это может включать добавление раствора в большие водоемы, контактирующие с воздухом, океаном (70% поверхности Земли: 3.61 × 10 ⁸ км ² , без учета шероховатости поверхности), являющийся окончательным примером пассивного поглотителя CO ₂ планетарного масштаба (7, 12, 19, 20). Было бы необходимо добавить гидроксид в океан в достаточно разбавленной форме, чтобы избежать потенциальных негативных воздействий на окружающую среду, включая поддержание pH ниже того, что может отрицательно повлиять на биоту, и ниже уровней, вызывающих абиотическое осаждение компонентов морской воды, таких как CaCO ₃ и Магний (OH) ₂ .С другой стороны, если это безопасно, такое добавление щелочности может быть полезно для противодействия закислению океана и его биотическим эффектам (7, 12). Кроме того, как обсуждалось во введении, добавление гидроксида в большие районы поверхности океана, где концентрация CO ₂ в морской воде выше, чем в вышележащем воздухе, поможет снизить выбросы CO ₂ в атмосферу за счет сокращения выбросов CO ₂ в естественных условиях океана. , и, таким образом, устраняется необходимость и сложность прямого улавливания CO ₂ из воздуха.

Судьба кремния и других компонентов.

Если образование твердого кремнезема в анолите является окончательной судьбой минерального силикатного фрагмента (см. Выше), в крупномасштабных применениях необходимо рассмотреть способы удаления и хранения или использования кремнезема. Накопление кремнезема непосредственно на аноде может поставить под угрозу его функционирование и потребует периодической смены полярности электрода и / или других методов очистки. В той степени, в которой растворимый диоксид кремния остается в растворе, он будет сопровождать удаление растворенного гидроксида или бикарбоната металла, образующегося в элементе.Если бы этот раствор был добавлен в океан, это потенциальное добавление растворимого кремнезема могло бы увеличить рост морского фитопланктона и дополнительное потребление CO ₂ воздухом в регионах, где кремний является ограничивающим питательным веществом (9, 38). Биотические эффекты (положительные или отрицательные) также могут возникать при добавлении растворимых металлов (например, Fe, Cr, Mn), которые в небольших количествах присутствуют во многих минеральных силикатах и ​​чье локальное содержание в морской воде может существенно влиять на морскую биогеохимию (39). Точно так же в крупномасштабных применениях необходимо будет учитывать судьбу, воздействие или использование любых солей металлов, образующихся в результате электролиза, например сульфатов или хлоридов Mg или Ca.

Размещение.

Чтобы минимизировать затраты, крупномасштабный захват воздуха лучше всего размещать там, где минимизированы капитальные затраты, энергия и затраты на доставку реагентов (7, 13). Например, системы, использующие морскую воду в качестве электролита, будут оптимально размещены в прибрежных районах, где электричество, получаемое от солнца, ветра или океана, также будет локально доступно и где силикатные минеральные ресурсы и рынки H ₂ находятся в непосредственной близости. Фактически, электролиз может проводиться непосредственно в резервуарах с рассолом или морской водой или в океане, где электроды и силикат могут проникать через поверхность воды со стационарных или мобильных платформ (например.g., модифицированные или специально разработанные суда). Это исключит необходимость и расходы на перекачку морской воды в электрохимические установки на суше, но также потребует морской инфраструктуры, технического обслуживания и пополнения запасов. Электрохимическое растворение минерального силиката может затем происходить на месте, создавая щелочность гидроксида и потенциал абсорбции CO ₂ непосредственно в водоем. Однако, как упоминалось ранее, последствия или предотвращение (или использование) различных побочных реакций и побочных продуктов, образующихся во время электролиза морской воды (например,g., Cl ₂ , хлорированные органические соединения) необходимо внимательно рассмотреть (7).

На внутренних участках для процесса могут использоваться сточные воды, грунтовые воды или естественный или искусственный рассол соответствующей солености, при этом надземные или подземные резервуары служат площадкой для хранения раствора, когда-то прореагировавшего с CO ₂ . В качестве альтернативы, как упоминалось выше, можно осаждать, собирать и хранить углерод в виде твердого карбоната, металлический компонент которого получен из силикатного минерала (рис.1 А ). Это потенциально может позволить рециркулировать солевой электролит (с пополнением водой), а не потреблять или выбрасывать, что позволяет использовать менее распространенные и более дорогие нехлоридные соли в качестве электролитов (рис. 2).

Потенциальная экономика.

Отсутствие демонстрации оптимизированной системы в масштабе препятствует точной оценке затрат и доходов. Тем не менее, следующее может быть иллюстративным.

Если принять общую потребность в энергии 300 кДж _e / моль CO ₂ (см. Выше), это будет равно 1.9 мегаватт-часов электроэнергии (MWh _e ) на метрическую тонну (т) захваченного CO ₂ . Предполагая, что стоимость электроэнергии составляет 60 долларов США / МВт · ч _e [например, несубсидированная ветровая электроэнергия (30)], стоимость электроэнергии для системы составит 1,9 × 60 долларов США = 114 долларов США за тонну потребленного CO ₂ . По имеющимся данным, капитальные затраты на усовершенствованный щелочной электролизер составляют 600 долларов США за тонну произведенной H ₂ (29, 40). Предполагая аналогичные капитальные затраты для предполагаемого здесь электролизера, получаем эквивалентные капитальные затраты на CO ₂ в размере 600 долларов США на 1 тонну H ₂ произведенных на 44 тонны CO ₂ уловленных = 14 долларов США на тонну CO ₂ уловленных .Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание неэлектрических и неминеральных источников предполагаются равными 3% от капитальных затрат (29) или 0,42 доллара США за тонну захваченного CO ₂ .

Предполагается, что около 1,2 т измельченного силикатного минерала будет израсходовано на каждую тонну CO. ₂ уловлено и преобразовано в бикарбонат (реакции 1 и 2, с учетом молекулярной массы) по цене 20 долларов США за тонну извлеченного, измельченного и поставленный силикат (2, 41) добавляет 24 долл. США / т захваченного CO ₂ . Всего на тонну уловленного CO ₂ расходуется 0,4 т воды при предполагаемой стоимости 2 доллара за тонну CO ₂ , которая включает стоимость откачки (при необходимости; см. Вариант на месте выше).Использование естественного рассола предполагается как для электролита, так и для источника воды, предполагая, что выбросы Cl ₂ и другие проблемы могут быть решены безопасно (см. Выше). Предполагается, что пассивное контактирование гидроксида с воздухом / раствором после помещения его в океан или другой большой резервуар стоит 0 долларов. Общая валовая стоимость такой системы тогда составляет 114 + 14 долларов + 0,42 + 24 + 2 доллара ≈ 154 доллара за тонну захваченного CO ₂ .

Если предположить, что рыночная стоимость произведенного H ₂ составляет 1500 долларов за тонну H ₂ (29), тогда выручка составит 1500 долларов × 1/44 = 34 доллара за тонну потребленного CO ₂ .Это снижает затраты на улавливание CO ₂ до 154–34 долларов = 120 долларов за тонну улавливаемого CO ₂ . Другие потенциальные компенсации затрат (не оцениваемые здесь в денежном выражении) могут включать в себя следующее: ( a ) хранение и рекуперация энергии, включая выравнивание нагрузки и сокращение пиков за счет хранения / окисления H ₂ , особенно в контексте производства электроэнергии, зависящей от времени. из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер; ( b ) последующее производство пресной воды путем окисления H ₂ ; ( c ) стоимость O ₂ или других произведенных газов; и ( d ) уменьшение кислотности океана путем добавления щелочности (e.g., местное или региональное сохранение или улучшение экономически важных морских моллюсков) (12, 42–44).

Если удается избежать 9 т CO ₂ на тонну H ₂ , произведенного [посредством этого углеродно-отрицательного электролиза по сравнению с риформингом природного газа с положительным углеродом (29)], и если 44 т CO ₂ будут улавливается из воздуха на тонну произведенного H ₂ (рис. 1, с учетом молярной массы), тогда в общей сложности 9 + 44 = 53 т CO ₂ сокращается на тонну произведенного H ₂ , или 53 т × 1/44 = 1.2 т CO ₂ уменьшено на 1 т уловленного CO ₂ . Это возрастает до 1,4 т CO ₂ , уменьшенного на тонну CO ₂ , уловленного, если произведенный H ₂ используется вместо обычного бензина. Чистая стоимость тонны смягченного CO ₂ составляет тогда 120 долларов / 1,4 = 86 долларов за тонну смягченного CO ₂ . Дополнительное смягчение воздействия CO ₂ произошло бы, если бы растворимый кремний и / или следы металлов, возможно, полученные из электролизованного раствора, были добавлены в океан для последующего стимулирования захвата и хранения CO ₂ посредством усиленного морского фотосинтеза (см. Выше).

Чистая стоимость <100 долларов США / тонну CO ₂ смягченных последствий значительно ниже 600–1000 долларов США / тонну CO ₂ , ранее оцененных для химического / термического CO в воздухе _{2 Улавливание} без учета затрат на хранение (16, 17 ) и даже находится в пределах стоимости более традиционного улавливания и геологического хранения молекулярного CO ₂ из потоков точечных отходов (45). Однако из-за отсутствия оптимизированной системы-прототипа истинная рентабельность и экологические преимущества этой схемы снижения выбросов CO ₂ на основе минералов / электролиза в масштабе еще предстоит определить.

Выводы

В лабораторных условиях был продемонстрирован метод, который использует кислотность анолита, обычно получаемую при электролизе соленой воды, для ускорения растворения силикатных минералов в процессе получения H ₂ и других газов. Было показано, что полученный раствор электролита имеет значительно повышенную концентрацию гидроксида, который, в свою очередь, сильно поглощает и удерживает CO ₂ . При питании от неископаемой электроэнергии и потреблении минералов и солевых растворов во всем мире, такие системы в больших масштабах могут обеспечить относительно эффективные и мощные средства для потребления и хранения избыточного воздуха CO ₂ в виде экологически безопасного бикарбоната или карбоната морской воды, а также производства углерода. отрицательное «сверхзеленое» топливо или химическое сырье, H ₂ .Примечательно, что такие электрохимические методы позволяют избежать неэффективных и дорогостоящих термических / механических процессов, необходимых для концентрирования CO ₂ из воздуха и рециркуляции реагентов, что присуще большинству ранее описанных химических систем улавливания воздуха (например, 13⇓⇓⇓ – 17 ). Использование полученного гидроксида для потребления избыточного CO ₂ в океане исключило бы необходимость в эквивалентном количестве более технически сложного прямого улавливания и концентрации CO ₂ в воздухе, одновременно выполняя такое же снижение чистого атмосферного CO ₂ .Добавление химического основания / щелочности в океан также поможет нейтрализовать или компенсировать последствия подкисления океана.

Необходимы дальнейшие исследования для определения оптимальной конструкции и рабочих процедур, рентабельности и чистого воздействия на окружающую среду / выгоды от электрохимически опосредованного улавливания воздуха CO ₂ и производства H ₂ с использованием основных минералов. Мы согласны с Lackner et al. (18): «Предстоит провести обширные исследования и разработки в отношении различных возможных материалов, компонентов и механизмов технологии улавливания воздуха.Учитывая огромные масштабы глобальной климатической проблемы … эти НИОКР необходимо срочно расширить ». Методы, которые не требуют концентрирования молекулярного CO ₂ из воздуха (или из потоков отходов), как показано здесь, могут указать путь к более рентабельному, экологически благоприятному и безопасному управлению воздухом CO ₂ в настоящее время В этом случае дополнительные преимущества производства возобновляемого топлива и повышения щелочности океана.

Материалы и методы

Триста миллилитров 0.25 M (0,5 N) Na ₂ SO ₄ в деионизированной воде добавляли в стеклянный стакан емкостью 400 мл, в котором вертикально подвешивались графитовые анод и катод (каждый имел диаметр 2 мм и длину 16,5 см). погружен на глубину 5,5 см) на расстоянии 5,7 см по горизонтали. И анод, и катод помещались и центрировались по вертикали в отдельных пористых пластиковых пробирках (перфорированные центрифужные пробирки Falcon 15 мл, внешний диаметр 1,5 см × 12 см), что облегчало поддержку и размещение электродов, а также их контакт с электродом. электролит.Внутренняя стенка и дно анодного контейнера были покрыты бумажным фильтром, и в зависимости от проведенного эксперимента внутренняя часть анодного контейнера была заполнена ∼12 г порошкообразного волластонита (CaSiO ₃ , NYAD 325; NYCO Minerals, Inc.) или порошкообразного ультраосновного силикатного стандарта (UM-4; Канадский центр минеральных и энергетических технологий), либо его оставили незаполненным. Материал UM-4 представляет собой змеевиковый метаперидотит из роговой обманки с Канадского щита, содержащий 38.8% SiO ₂ , 22,6% MgO, 12,5% FeO, 9,23% Al ₂ O ₃ и меньшие количества других компонентов (46). Количество добавленного силиката было таким, чтобы верхняя поверхность силикатной массы находилась на ~ 2,5 см выше поверхности электролита, тогда как около 5,5 см массы и электрод, расположенный вертикально и центрально, были погружены в воду. Затем измеряли pH электролита с помощью калиброванного pH-зонда Thermo Scientific Orion 8203BN (точность ± 0,01 единицы).Также с помощью шприца отбирали пробу раствора объемом 40 мл и хранили в запечатанном флаконе в темноте при комнатной температуре. Концентрация OH ^— была рассчитана из pH: [OH ^—] = 10 ^{(pH -7,6)} мкМ.

Затем электроды были подключены к источнику постоянного тока, который вырабатывал напряжение в замкнутой цепи в среднем 3,5–3,6 В и средний ток 7,1–9,5 мА (таблица 1). Электролиз продолжался во всех экспериментах, о чем свидетельствовало очень слабое выделение газа (H ₂ ) с катода.Электролизу давали возможность продолжаться до 1,5 ч с периодическим измерением pH раствора. По окончании электролиза измеряли pH, снимали электроды, отбирали образец раствора объемом 40 мл и хранили, как указано выше. Оставшийся раствор затем осторожно продували (0,4 л / мин) воздухом в течение ночи. После, по крайней мере, 18 часов барботирования, снова измеряли pH раствора и отбирали и хранили еще одну пробу объемом 40 мл. Продолжительность барботирования воздуха была выбрана для удобства и для обеспечения достижения равновесия воздух / раствор, на что указывает конечная временная стабильность pH раствора.Фактически, большинство наблюдаемых общих понижений pH происходило в течение первых нескольких часов образования пузырьков воздуха.

Отобранные пробы воды, взятые в предыдущих экспериментах, были затем проанализированы на общую концентрацию DIC с использованием углеродного анализатора OI Analytical 1030W, в котором использовалась фосфорная кислота для преобразования DIC в CO _{2 (г)} , с последующим барботированием N ₂ и CO _{. 2} количественное определение с использованием твердотельного недисперсного ИК-детектора. Аналитическая точность составила ± 5%. Концентрации Na ⁺ , Ca ²⁺ и Mg ²⁺ измеряли с использованием квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой Thermo Electron XSeries.Образцы были объемно разбавлены раствором внутреннего стандарта в 2% -ной азотной кислоте. Был проведен полностью количественный анализ с использованием линейной калибровочной кривой на основе известных прослеживаемых стандартов Национального института стандартов и технологий. Внутренний стандарт был скорректирован с учетом дрейфа прибора и подавления от матрицы дайджеста. Аналитическая погрешность составляла около ± 5%. Исходные концентрации DIC, Ca ²⁺ и Mg ²⁺ были скорректированы с учетом потери воды путем умножения на соотношение исходной и конечной концентраций Na ⁺ в каждом эксперименте.

Благодарности

Мы благодарим V. Genetti [Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL)] за выполнение МС-анализов с индуктивно связанной плазмой. Это исследование частично финансировалось субподрядом B589409 от LLNL Калифорнийскому университету в Санта-Круз. Эта работа была выполнена под эгидой Министерства энергетики США LLNL по контракту DE-AC52-07NA27344.

Сноски

• Автор: G.H.R. спланированное исследование; ГРАММ.Х.Р. провел исследование; G.H.R., S.A.C. и M.J.S. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; G.H.R., S.A.C., W.L.B., M.J.S. и M.M.S. проанализированные данные; и G.H.R., S.A.C., W.L.B. и R.D.A. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

Доступно бесплатно в Интернете через опцию открытого доступа PNAS.

Sikacrete®-950 DP | Кремнеземный дым

Порошок сгущенного кремнезема

Sikacrete®-950 DP — это уплотненная микрокремнеземная добавка в виде сухого порошка для портландцементного бетона и строительных растворов.Sikacrete®-950 DP соответствует требованиям ASTM C-1240 и содержит минимум 85% диоксида кремния (SiO2).

Как это работает : Sikacrete®-950 DP — это пуццолановый материал, состоящий в основном из мелких частиц диоксида кремния в некристаллической форме. Частицы микрокремнезема имеют диаметр менее 1 мкм; примерно в 100 раз меньше средней частицы цемента. Пуццолановое действие: Между свободной известью Ca (OH) 2 в цементном тесте и частицами микрокремнезема происходит химическая реакция, которая приводит к образованию дополнительного геля гидрата силиката кальция (CSH), клея, который скрепляет компоненты бетона. .Формирование этой дополнительной связывающей силы внутри геля увеличивает прочность бетона на сжатие и изгиб. Уменьшение пустот: Мелкие частицы Sikacrete®-950 DP заполняют крошечные пустоты и капиллярные поры в цементной матрице и значительно уменьшают пористость, создавая чрезвычайно плотный и непроницаемый бетон. Преимущества : Sikacrete®-950 DP производит бетон со значительно увеличенной прочностью на сжатие и изгиб, что обеспечивает большую гибкость конструкции и экономию при проектировании конструкции в сочетании с пониженной проницаемостью для увеличения срока службы бетона.

• Прочность на сжатие для высокоэффективного бетона резко возрастает.
• Превосходная стойкость к истиранию и эрозии увеличивает долговечность бетона в зонах с интенсивным движением.
• Проницаемость резко снижена, что делает микрокремнезем идеальным для применений, где бетон должен противостоять химическому воздействию.
• Устойчивость к коррозии повышена, поскольку бетон более устойчив к проникновению воды и, следовательно, к коррозии, вызываемой сульфатами и водными хлоридами, такими как соли для борьбы с обледенением.
• Пониженная проницаемость дает микрокремнеземному бетону отличную устойчивость к замораживанию-оттаиванию, поскольку внутри цементного теста задерживается меньше воды.

Sikacrete®-950 DP не содержит хлорида кальция или каких-либо других преднамеренно добавленных ингредиентов, содержащих хлорид. .