活性焦孔结构分级官能化构筑及SO2/VOCs协同吸附机制

The potential for simultaneous removal of SO2 and VOCs is provided by the match of processing temperatures for their adsorption in carbon-based materials. Orderly combination of pore structures and chemical activity of adsorbents is the key to SO2/VOCs simultaneous adsorption. Based on the matching relation between molecular polarity as well as size of adsorbate and spatial characteristics of nanopore structures in carbon-based adsorbents, the conceive of constructing hierarchical functionalized pore structures in coal-based activated coke is proposed. Via micro-mesopores/macropores hierarchical construction and specific functional groups rational distribution in various scales of pore structures, hierarchical storage and enhanced coupling adsorption in various scales of pore space can be realized, thus the capacity for adsorbates transportation and storage during SO2/VOCs simultaneous removal are expected to be improved significantly. By investigating the mechanism of the hierarchical functionalized construction of pore structures in activated coke and hierarchical storage and enhanced coupling adsorption of adsorbates, which are two critical scientific issues in our study, the foundation for SO2/VOCs simultaneous adsorption by activated coke is provided.

碳基材料吸附SO2与吸附VOCs工艺温度的匹配使其具有协同脱除的潜力。吸附剂孔隙结构及化学活性功能的有序组合是实现SO2/VOCs协同吸附的关键。本项目基于吸附质分子极性、尺寸与碳基吸附剂纳米孔空间特性间的匹配关系，提出了煤基活性焦孔结构分级官能化构筑技术构想。通过微孔-中孔/大孔的分级构筑以及不同尺度孔空间内特定官能团的定向分布，实现特定吸附质在不同尺度孔空间内的分级赋存与耦合吸附强化，从而有望极大地挖掘活性焦纳米空间利用潜力，提高活性焦对SO2/VOCs协同吸附过程吸附质输运、赋存容量。通过对 “活性焦孔结构分级官能化构筑机制”和“吸附质分级赋存及耦合吸附强化机制”两个关键科学问题的研究，为活性焦协同吸附SO2/VOCs技术提供理论基础。

碳基材料吸附 SO2 与吸附 VOCs 工艺温度的匹配使其具有协同脱除的潜力，吸附剂孔隙结构及化学活性的有序组合是实现 SO2/VOCs 协同吸附的关键。本项目基于吸附质分子极性、尺寸与碳基吸附剂纳米孔空间特性的匹配关系，提出了通过微孔-中孔/大孔的分级构筑以及不同尺度孔空间内特定官能团的定向分布，实现特定吸附质在不同尺度孔空间内的分级赋存与耦合吸附强化，提高活性焦对 SO2/VOCs 协同吸附过程的吸附质输运、 赋存容量的构想。在此构想引领下，主要取得以下研究成果：.. （1）针对活性焦孔隙分级构筑的需求，发展了基于微量碱金属盐催化活化的孔隙配组深度调控的方法。基于此技术，仅通过调控负载的碱金属盐种类及含量，就可以在活性焦中以相对简便方式构筑微孔-中大孔分级配组的孔隙结构，制备的活性焦的比表面积是传统物理活化的2倍。相比于传统化学活化，此技术金属盐添加量低（不足1 wt-%）、环境友好、得碳率高，具有工业化应用潜力。.. （2）针对SO2/VOCs协同吸附的材料需求，建立了系列活性焦孔隙结构与表面化学协同调控方法：针对孔隙结构与氧官能团协同调控的需求，发展了基于干冰辅助机械化学过程的活性焦官能团-微晶-孔隙多尺度结构协同优化方法。利用机械裁剪及CO2对边缘位点的刻蚀作用，在发展活性焦孔隙的基础上，实现了高含量羧基官能团的定向嫁接（20 wt-%）；针对分级孔与含氮官能团协同构筑的需求，提出了氨水辅助一步催化活化协同优化活性焦孔隙配组与含氮官能团的策略。仅通过调控催化活化参数同时实现了比表面积、孔隙分级度、含氮官能团的定向调控。上述技术操作简便，可实现孔隙分级官能化的活性焦吸附剂规模化制备，在多污染物联合脱除场景有巨大应用潜力。.. （3）针对燃煤电厂SO2/VOCs联合脱除的技术需求，基于上述制备的孔隙分级度与官能团梯度变化的活性焦吸附剂，结合多尺度模拟，系统研究并揭示了分级官能化孔结构内SO2与甲苯分级赋存机制。发现SO2/甲苯协同吸附过程中，表面官能团通过改变基面电子分布及吸附势能场，引发超越点位的空间吸附行为；分级孔通过引导SO2与甲苯分别赋存于微孔和中大孔，缓解竞争吸附、提升吸附容量的现象。上述发现可成为发展碳基多污染物联合脱除技术的理论基础。