活性炭表面官能团可控构建及其VOCs吸附行为影响研究

Based on the combined modification method, the aim of this study is design and development new activated carbon materials on which the surface functional groups can be controllable produced. Then, these materials are used to adsorb volatile organic compounds (VOCs). The key problems need to explain in this study are as follows: Firstly, the influence of modified method to the structure and surfaces chemical properties of activated carbon will be studied. Secondly, basic on the instruments representation results, the formation mechanism of surfaces functional groups on activated carbon surfaces and its thermal stability will be discussed. After these steps, using the density functional theory (DFT) and linear solvation energy relationship (LSER), the influence of surfaces functional groups on VOCs adsorption in activated carbon will be analyzed. At last, association with the analysis results, such as surfaces functional groups, fractal characteristics of activated carbon, adsorption kinetics and thermodynamics results and structural parameters of activated carbon, this study try to obtain a quantitative structure-activity relationship between VOCs adsorption and surfaces functional groups on activated carbon surfaces. The investigation will try to provide basis of theory and technology for design, development and application of VOCs function adsorption material.

基于活性炭功能化吸附有机气体之目的，采用复合修饰手段，设计与可控制备具有表面功能化官能团的活性炭；研究修饰方法对材料表面化学性能及结构的影响，结合仪器表征探讨活性炭表面官能团的形成机理及其稳定性；采用量子化学密度泛函理论、线性溶剂化能关系模型，从活性炭与吸附质之间作用力的角度，分析活性炭表面官能团与有机气体吸附作用机制；利用改性活性炭等温吸附有机气体实验，重点揭示活性炭表面基团与活性炭吸附VOCs行为影响的规律；关联活性炭表面基团、内外分形特征，吸附动力学，吸附热力学、结构特征等参数，建立客观量化的基于基团功能化吸附行为的构效模型；研究成果将对有机气体功能化吸附材料设计，制备，及其应用提供理论和技术基础。

对于利用吸附法处理环境中的挥发性有机化合物（VOCs）时，活性炭是最常用的吸附剂之一。活性炭的吸附特性主要取决于其物理化学性质，有关活性炭孔结构对其VOCs吸附行为的影响研究较多，相关理论也已比较完善，而对于其化学性质尤其是表面官能团在VOCs吸附中的作用机理仍有许多问题需要认识与解决。鉴于此，系统地研究活性炭表面官能团的变化规律、深入探索活性炭表面官能团与VOCs的相互作用机制、完善与优化VOCs在活性炭表面吸附相关理论具有重要的意义。本研究针对功能化吸附VOCs问题，结合不同制备方法及改性手段对活性炭进行复合修饰，将具有不同活性的表面官能团如含氮官能团、含氧官能团、含硫官能团、含磷官能团及金属氧化物等引入活性炭表面，从而制备出具有高吸附容量和高选择性的新型功能化吸附材料。通过实验研究和分子模拟相结合的方法，探索不同改性方法对于活性炭表面官能团构建的影响，以及不同官能团在活性炭表面的形成机理及其稳定性；并关联活性炭物性参数，基于密度泛函理论，从分子间作用力的角度对活性炭表面官能团与VOCs相互作用机制进行分析，研究活性炭表面官能团对VOCs吸附的影响机理。研究结果表明，含氮官能团与单位比表面积上的丙酮吸附量成正比，相比于商业活性炭，掺氮活性炭对丙酮的吸附量提高了约80%；含氮官能团只在低压下对吸附丙酮有促进作用，在高压下丙酮的吸附只与比表面积和孔容有关；含氧表面官能团可以增强碳表面与丙酮分子间的相互作用强度，从而促进丙酮吸附，而由于氢键相互作用，羧基和羟基对增强丙酮吸附最有效；含硫官能团对乙醇的吸附具有一定的抑制作用；碳材料中磷含量的增加对丙酮吸附量有明显的促进作用，而P–O键在丙酮的吸附过程中起主要的影响作用；氧化镁能与丙酮发生化学吸附，提高活性炭表面氧化镁负载量能有效提高材料的丙酮吸附能力。