基于海洋贻贝副产的聚多巴胺为碳源制备憎水性多孔碳及其对烃类VOCs/H2O选择吸附性能

For the demands of the capture and reuse of evaporated gasoline vapor, a novel hydrophobic porous carbon (PDA-C) with high capacity for hydrocarbons vapor is proposed in this proposal.Polydopamine is a biomolecule of the adhesive proteins found in the 'footprints' of mussels,which can be obtained as the by-products in mussel processing. We will use polydopamine as the carbon precursor to prepare the PDA-C adsorbent due to it being nontoxic,widespread and sustainable. Moreover, polydopamine is also a kind of rich resource in Guangxi province. Here, we propose to take the advantage of location resources to solve the regional environmental problem, which is the feature & advantage of our proposal.We puts the emphasis on the following three parts: (1)the effects of the pore structure and surface chemical properties of the PDA-C adsorbents on the adsorption phase equilibrium and dynamics of hydrocarbons vapor as well as the competitive adsorption of hydrocarbon VOCs and water mixtures will be investigated at the theoretical layer, (2)the preparation methods of the hydrophobic PDA-C adsorbent with high adsorption capacity for the hydrocarbons vapor will be investigated at the technical layer, (3)the adsorption precessing of the capture and reuse of the hydrocarbons vapor using the PDA-C adsorbent under high humid surroundings will be inverstigate at the application layer. The research achievements can provide some useful information for the preparation of the new hydrophbic porous adsorbents to capture gasoline VOCs pollutants from high humid envorinments. Therefore, this proposal has important academic research values and theoretical frame of reference effect.

针对油气类VOCs的污染控制和油气回收需求，本项目提出利用广西沿海生产加工贝类副产的聚多巴胺为碳源，研制对油气具有高吸附容量的憎水性多孔碳(PDA-C)吸附材料。本项目涉及从理论层面，研究/揭示PDA-C材料的孔结构和表面性质对苯系VOCs和H2O的吸附相平衡和动力学扩散，以及对苯类VOCs对水的竞争吸附的影响规律；从材料制备技术层面，研究和掌握PDA-C多孔碳材料的孔结构和表面性质的调控技术，制备高油气吸附容量的憎水性PDA-C吸附剂；从应用层面，以PDA-C吸附材料为核心，研究高湿度环境下捕获和回收苯类VOCs过程。研究利用区域海洋资源制备具有高比表面积高吸附容量吸附材料，用于高湿度工况下高效捕获苯类有机污染物，这是本项目立项的新意和特色之处。项目成果将为解决高湿度环境下燃油气污染控制和回收利用这一难题提供新的理论基础和技术支持，项目研究具有重要的科学研究价值和实际意义。

本项目主要针对苯系类VOCs的污染控制和污染物回收需求，提出利用广西沿海生产加工贝类副产的聚多巴胺为碳源，研制对苯系VOCs具有高吸附容量的憎水性多孔碳(PDA-C)吸附材料。主要研究内容分为三部分：（一）高比表面的多孔生物炭的合成及其对苯和对二甲苯的高选择性吸附。以多巴胺为碳源制备出高比表面的且具有多种孔径特征的几种多孔炭材料。静态/动态吸附性能测试显示，此材料在298 K和P/Po=0.01条件下对苯、甲苯及其对二甲苯的吸附容量分别为6.0、5.4 6.7 mmol/g；在相对湿度>60%条件下，对甲苯（1.43 g/m3）和对二甲苯(6.40 g/m3)的工作吸附容量分别高达4.74和6.64 mmol/g，此吸附容量是相似条件下MIL-101（SSA > 3000 m2/g）和HKUST-1（SSA > 1900 m2/g）的3-5倍。此种生物多孔炭含有丰富的sp2 C，使材料的表面具有强的非极性特质抵抗了高湿环境下水分子对优势吸附位的抢占能力。（二）通过表面基团修饰获得了一种新的憎水性MOFs材料。我们将过渡金属Cr离子与1,4-萘二羧酸配位合成出一种高憎水性的新型MOFs吸附材料。该材料具有超大比表面积（3006 m2/g），接枝有苯基基团的MIL-Z01的憎水性明显强于所报道的MIL101(Cr)晶体材料，该材料对水蒸气的吸附容量仅为MIL-101的13%；另外，该材料对苯的吸附速度是水的30-40倍；透过曲线可知：在相对湿度80%下，该材料对苯蒸汽的工作吸附容量是MIL-101的2倍。配体骨架中苯的添加一方面显著提高了骨架的憎水性，另一方面又阻隔了水分子与不饱和金属离子的接触，这均有利于高湿度下材料对苯系VOCs的选择性吸附。（三）系统研究了H2O和苯蒸汽在HKUST-1的吸附相平衡和动力学，并利用IAST(理想吸附溶液理论)预测HKUST-1对苯和H2O的选择性吸附行为。研究表明：低压下(P/Po<0.06)，苯在HKUST-1的吸附容量可达9.0 mmol/g，远高于MIL-101、商用类活性炭和ZMS-5分子筛；298 K下苯分子在HKUST-1上的扩散速率是水分子的17.6倍，理论上若使用膜分离技术，HKUST-1材料对苯和水的渗透选择性可高达26.4，可以实现HKUST-1在潮湿气氛下对含苯VOCs的高效捕获。