冷等离子体预处理促进木质素热解及低电阻率焦炭形成的机理研究

Lignin extracted from pulping wastewater would be studied in this proposal. With the help of active chemical groups induced by plasma treatment, pyrolysis rate would be increased significantly. With the plasma degradation effect on the alkyl-side-chain of lignin, formation of lignin char with graphite-like microcrystals based on layered aromatic rings would be expected during consequent heating, which is essential for preparation of lignin char with low consistivity. Through analysis on pyrolysis process, mechanism on plasma-treated lignin pyrolysis would be studied. Through structure and property analysis of lignin before and after plasma treatment, as well as lignin char produced during pyrolysis, formation mechanism of graphite-like microcrystals based on layered aromatic rings would also be studied. The preparation process for lignin char with low consistivity would be proposed. Basic theory and practice would be established for high value untilization of lignin in industry. Research product would be of great importance to recycle of pulping wastewater, energy saving and emission reduction, sustainable development of paper-making industry, and scientific and technological progress of forestry products.

以造纸废液中提取的木质素为研究对象，通过冷等离子体引发木质素表面活性基团的生成，显著提高其热解速率；并利用冷等离子体对木质素烷基侧链的降解作用，诱导由片层芳香环堆积而成的具有石墨状微晶结构的焦炭形成，使之可用于制备具有低电阻率的木质素焦炭。通过对热解过程以及木质素在冷等离子体处理前后与热解后焦炭的结构及物化性质的研究，阐明冷等离子体处理促进热解及石墨状微晶结构形成的机理，优化低电阻率木质素焦炭的制备工艺，为实现木质素的工业化高值利用奠定理论基础和提供实践依据。研究成果对于促进我国造纸废液的回收利用、节能减排、促进造纸业的可持续发展和推动林产化工品的科技进步具有重要的现实意义。

本项目研究计划利用等离子体处理，提高木质素基碳材料的电导率，从而为其在电化学方面的应用打下基础。计划从等离子改性机理角度（等离子体处理对表面化学组成的影响，以及对木质素热解的影响），调控制备低电阻率木质素基碳材料。通过我们的研究，我们在等离子作用机理，以及利用等离子体处理技术提高催化石墨化效率方面取得了一系列成果。首先，基于一系列不同气氛及不同放电方式研究等离子体对木质素热解性质的影响，发现等离子处理前后木质素的热解温度及热解活化能均未发生变化，说明木质素对等离子体处理具有很好的稳定性。通过对木质素基材料的表面化学特性研究，发现在不同等离子气氛条件下材料表面可呈现出各异的特性。在空气、氧气等活性气体等离子体处理条件下，材料表面可接枝大量羟基、氨基等极性官能团，使其表面表现出亲水性；在六甲基二硅氧烷气氛等离子条件下，材料表面接枝硅氧烷烃链，可使其表面表现出疏水性。基于这一机理，我们将亲水化改性的木质素基活性炭用于铁基催化剂的吸附，发现等离子处理后铁基催化剂在碳材料表面的分布更加均匀，催化剂与基材之间的结合更加紧密，在高温下表现出更优越的催化性能。在1000℃催化条件下，等离子处理后的木质素基活性炭的石墨化程度更高，其电导率可达6.23 S/cm，相比未经等离子处理样品提高20%以上，实现了本项目研究所要求的目标。基于本项目研究，已发表SCI源论文12篇，中文核心期刊论文四篇。