多孔炭基吸附剂的结构设计及其对二氧化碳的吸附、再生性能研究

发布时间：2019-05-30 12:15

【摘要】：多孔炭材料因具有来源多样化、结构及表面化学可调控等优势,成为当前采用吸附法进行二氧化碳捕集的研究热点。虽然多孔炭基二氧化碳吸附剂的研究已经取得了较大的进展,但对于高效炭基吸附剂的宏观形貌调控、杂质气体的影响以及再生方式等方面仍存在很多问题需要深入的探讨和研究。本工作以多孔炭在二氧化碳捕集方面的应用为背景,根据多孔炭基吸附剂的结构、表面化学与二氧化碳吸附性能的关系,从宏观和微观尺度对多孔炭基吸附剂进行调控,建立多孔炭脱除二氧化碳的系统性研究,考察多孔炭基吸附剂在多种再生方式下的吸/脱附性能,开发研制具有高吸附容量、高选择性、高吸/脱附速率的二氧化碳捕集用新型多孔炭基吸附材料。主要结论如下:(1)富氮炭微球的可控制备及其二氧化碳吸附性能研究以间苯二酚、甲醛和三聚氰胺为前驱体,规模化制备球形度均匀、单分散性好的富氮炭微球,考察了前驱体中三聚氰胺与间苯二酚的比例对富氮炭微球微观形貌、孔结构、氮含量以及二氧化碳吸附性能的影响。结果发现,三聚氰胺不仅可以提供氮源,还可以起到催化作用。适当的三聚氰胺添加量可以提高炭微球粒径的均匀性及微孔结构,比表面积和总孔容最高可达到796 m~2/g和0.36 cm~3/g。富氮炭微球在273 K下的最大二氧化碳吸附量可达到4.50mmol/g,而且该样品具有相对适中的吸附热,快速的吸附动力学,并能在长期循环使用过程中保持优异的稳定性。进一步采用氢氧化钾对炭微球进行活化,可极大提高材料的孔结构,二氧化碳吸附量可以提高到6.80mmol/g。(2)纤维素基氮掺杂炭气凝胶的制备及其二氧化碳吸附性能研究以纤维素为碳前躯体,尿素为氮源,氢氧化钠水溶液为溶剂,通过聚合、冷冻干燥、炭化/活化一体化等过程制备氮掺杂的高比表面积炭气凝胶。氢氧化钠可以破坏纤维素分子内以及分子间氢键,使纤维素能够均匀分散在水溶液,并且在炭化过程中对纤维素起到活化作用;尿素不仅为炭气凝胶提供氮源,而且在聚合过程中起到交联作用,使纤维素分子形成稳定的骨架网络结构,由此制备的炭气凝胶具有均匀的、蜂窝状的三维网络结构,其最高表面积和孔容可分别达到2298m~2/g和2.20cm~3/g。丰富的微孔结构以及适宜的氮含量,使炭气凝胶在273 K和298 K下的二氧化碳吸附量分别为5.01 mmol/g和 3.32 mmol/g。(3)整体式分级孔炭基二氧化碳吸附剂的设计制备及变电再生性能研究基于预氧化的聚丙烯腈纤维毡增强酚醛气凝胶的复合方法制备高强度、整体式分级孔炭,定向控制材料的宏观形貌以及微观孔隙结构。分级孔结构的存在,大孔有利于二氧化碳分子的扩散传输,微孔有利于二氧化碳的吸附,使分级孔炭具有高效的二氧化碳吸附性能,在298 K时,其常压二氧化碳吸附量为3.80 mmol/g,高压(25 bar)吸附量可达到15.90 mmol/g,CO2/N2选择性可达到13。进一步构造一种新型的结构-功能一体化的卷式层级孔炭,可直接用于动态二氧化碳吸附,允许轴向和径向均匀的气体流动,而且材料独特的整体式结构和良好的导电、导热性,可采用变电再生实现快速升温脱附。(4)球形中孔炭基固态胺吸附剂的制备及其对二氧化碳吸附、再生性能研究采用悬浮聚合辅助的溶胶-凝胶法制备了毫米级的球形中孔炭载体,担载聚乙烯亚胺(PEI)和扩散助剂聚乙二醇(PEG)制备固态胺吸附剂。中孔炭发达的三维网络结构有利于PEI在孔道内的均匀分散,使吸附剂具有较大的气/固接触面积;连通的开孔结构有利于二氧化碳的内扩散过程,可以提高胺基利用率;高分子量的PEI赋予吸附剂优异的循环稳定性;PEG的添加可以提升吸附剂的热力学吸附-动力学扩散行为,使吸附剂在75℃下对15%CO2吸附量可达到3.73 mmol/g。在有水条件下,吸附量可进一步提升14.7%,而且水的存在会降低氧气对固态胺吸附剂的不利影响,但是在SO_2、NO和NO_2等气体存在下会加剧吸附剂性能的衰减。此外,球形中孔炭基固态胺吸附剂可采用变温吸附、变真空吸附以及变电吸附等多种方法进行再生。
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【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ424

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