碱性功能化的多孔材料用于SO2的高效捕集过程研究

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二氧化硫(SO2)是最常见的硫氧化物,它的过度排放造成了酸雨、臭氧层破坏等自然灾害,并且威胁着人类的健康,因此必须加强对SO2排放的控制。近年来,固体吸附法由于脱硫效率高、能耗低、不产生二次污染等优点成为一种最有发展前景的烟气脱硫方法。目前,活性炭、沸石、金属有机骨架、多孔聚合物等固体材料都被尝试用以吸附SO2。为了得到高效、可逆、高选择性的SO2吸附材料,本文分别通过物理负载和化学负载的方式往多孔材料中引入能与SO2发生强相互作用的碱性基团(叔胺基团和唑类基团),制备了多种功能化的复合吸附材料用于SO2捕集过程研究。采用红外光谱、气体吸附仪、核磁共振氢谱、微观电镜图、热重分析等手段详细表征了其结构和物理化学性质,通过双釜吸附装置和穿透装置系统地考察了其SO2捕集性能。具体研究如下:(1)选用含有丰富的柔性纳米孔的石墨相氮化碳(g-C3N4)为载体,通过物理负载的方式将含有高密度叔胺基团的甲基化聚乙烯亚胺(mPEI)引入其孔道中,从而得到功能化的复合吸附剂(mPEI@g-C3N4)。得益于g-C3N4中可拉伸的柔性纳米孔,mPEI和g-C3N4能以高达2.5:1的质量比进行负载。功能化后,2.5mPEI@g-C3N4复合吸附材料表现出超高的SO2吸附量(15.88 mmol/g,100 kPa,25℃),相比于纯的g-C3N4(2.97 mmol/g,100 kPa,25℃)提高了5倍左右。并且通过测定吸附剂在模拟工业尾气的穿透吸附性能得到其优良的吸附选择性和循环再生稳定性。(2)选用高比表(899 m~2/g)、大孔容(2.86 m~3/g)的介-大孔多孔碳材料聚二乙烯基苯(PDVB)为载体,物理负载mPEI制备复合吸附剂mPEI@PDVB。相比于g-C3N4,PDVB高比表、大孔容的特点使得mPEI可以更加均匀地分布在载体的孔道中。吸附性能测试表明,mPEI@PDVB有更加优异的SO2吸附量(18.27 mmol/g,100 kPa,25℃),同时也保持了很好的吸附选择性和循环再生能力。此外,吸附动力学曲线的结果显示mPEI@PDVB在200 s的时间内就可以完成绝大部分的SO2吸附过程,具有相当快的吸附速率。(3)提出将唑类化合物(咪唑、三氮唑、四氮唑)引入阴离子交换树脂IRA-900,通过化学负载的方式得到唑类基团功能化的IRA-900。IRA-900价格低廉,可以直接从市面上购买得到,具有丰富的大孔结构。IRA-900(Cl)先与NaOH进行离子交换得到IRA-900(OH),再分别与咪唑、三氮唑、四氮唑进行离子交换得到改性IRA-900(ImZ)、IRA-900(TriZ)、IRA-900(TetrZ)。随后通过吸附实验探究了三种唑类基团的功能化对于SO2吸附量和吸附选择性的影响,DFT理论计算的结果进一步论证了实验所得数据的准确性,并解释了吸附剂与SO2的反应机理。本文制备了包括叔胺基团和唑类基团在内的碱性基团功能化的多孔材料,通过实验证实了其具有高效、可逆、高选择性的SO2捕集效果。
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