活性炭表面官能團可控構建及其VOCs吸附行為影響研究

《活性炭表面官能團可控構建及其VOCs吸附行為影響研究》是依託中南大學，由李立清擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：活性炭表面官能團可控構建及其VOCs吸附行為影響研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李立清
• 依託單位：中南大學

項目摘要

基於活性炭功能化吸附有機氣體之目的，採用複合修飾手段，設計與可控制備具有表面功能化官能團的活性炭；研究修飾方法對材料表面化學性能及結構的影響，結合儀器表征探討活性炭表面官能團的形成機理及其穩定性；採用量子化學密度泛函理論、線性溶劑化能關係模型，從活性炭與吸附質之間作用力的角度，分析活性炭表面官能團與有機氣體吸附作用機制；利用改性活性炭等溫吸附有機氣體實驗，重點揭示活性炭表面基團與活性炭吸附VOCs行為影響的規律；關聯活性炭表面基團、內外分形特徵，吸附動力學，吸附熱力學、結構特徵等參數，建立客觀量化的基於基團功能化吸附行為的構效模型；研究成果將對有機氣體功能化吸附材料設計，製備，及其套用提供理論和技術基礎。

結題摘要

對於利用吸附法處理環境中的揮發性有機化合物（VOCs）時，活性炭是最常用的吸附劑之一。活性炭的吸附特性主要取決於其物理化學性質，有關活性炭孔結構對其VOCs吸附行為的影響研究較多，相關理論也已比較完善，而對於其化學性質尤其是表面官能團在VOCs吸附中的作用機理仍有許多問題需要認識與解決。鑒於此，系統地研究活性炭表面官能團的變化規律、深入探索活性炭表面官能團與VOCs的相互作用機制、完善與最佳化VOCs在活性炭表面吸附相關理論具有重要的意義。本研究針對功能化吸附VOCs問題，結合不同製備方法及改性手段對活性炭進行複合修飾，將具有不同活性的表面官能團如含氮官能團、含氧官能團、含硫官能團、含磷官能團及金屬氧化物等引入活性炭表面，從而製備出具有高吸附容量和高選擇性的新型功能化吸附材料。通過實驗研究和分子模擬相結合的方法，探索不同改性方法對於活性炭表面官能團構建的影響，以及不同官能團在活性炭表面的形成機理及其穩定性；並關聯活性炭物性參數，基於密度泛函理論，從分子間作用力的角度對活性炭表面官能團與VOCs相互作用機制進行分析，研究活性炭表面官能團對VOCs吸附的影響機理。研究結果表明，含氮官能團與單位比表面積上的丙酮吸附量成正比，相比於商業活性炭，摻氮活性炭對丙酮的吸附量提高了約80%；含氮官能團只在低壓下對吸附丙酮有促進作用，在高壓下丙酮的吸附只與比表面積和孔容有關；含氧表面官能團可以增強碳表面與丙酮分子間的相互作用強度，從而促進丙酮吸附，而由於氫鍵相互作用，羧基和羥基對增強丙酮吸附最有效；含硫官能團對乙醇的吸附具有一定的抑制作用；碳材料中磷含量的增加對丙酮吸附量有明顯的促進作用，而P–O鍵在丙酮的吸附過程中起主要的影響作用；氧化鎂能與丙酮發生化學吸附，提高活性炭表面氧化鎂負載量能有效提高材料的丙酮吸附能力。