垃圾填埋气中环状挥发性甲基硅氧烷净化及其机理

垃圾填埋气(LFG)中挥发性硅氧烷的存在是制约LFG资源化利用的重要因素之一。申请者拟采用实验室模拟活性炭吸附LFG中含量最高的典型性环状硅氧烷八甲基环四硅氧烷（D4）和十甲基环五硅氧烷（D5）的方法，筛选净化效果最好的活性炭，研究吸附机理，建立吸附的构效关系模型，并将推导的结论用于真实的LFG中环状甲基硅氧烷的净化，从而对建立的理论进行检验和修正。此外，通过对净化效果好的活性炭进行还原改性和憎水性改性，进一步提高其对硅氧烷的吸附能力，通过吸附实验的结果，改善改性条件，并研究净化机理。以改性好的活性炭为载体，负载相应的链引发剂、催化剂、乳化剂等，使模拟的LFG中的D4分子先被吸附，而后在载体上发生开环聚合，生成高分子量、低蒸汽压的聚甲基硅氧烷，变可逆吸附为不可逆吸附，变物理吸附为化学吸附。

垃圾填埋场中的可降解有机物在稳定化降解过程中会产生大量的垃圾填埋气（LFG），LFG的主要成分为甲烷和二氧化碳，此外还含有许多污染性气体组分，是国际公认的需要控制排放的温室气体。由于LFG中富含甲烷，是一种具有较高品位的生物质可再生能源。资源化利用LFG，具有减少污染性气体排放、改善大气环境、开发生物质能源、削减温室气体排放等多重价值。LFG中微量的硅氧烷，经燃烧后会生成二氧化硅结垢，造成燃烧设备中运动部件的磨损、催化剂的失活等危害。因此硅氧烷是LFG资源化利用中必须去除的最有害的组分之一。本课题研究了不同来源、制备工艺和改性方式的活性炭对于模拟LFG中八甲基环四硅氧烷（D4）的吸附特性，并对这些活性炭进行表面组织、孔结构、酸碱官能团、化学元素等表征，找到了影响活性炭对于硅氧烷吸附的关键因素，得到如下重要结果：活性炭的BET比表面积和微孔孔容与活性炭对硅氧烷的吸附容量呈正相关关系，活性炭中大的微孔和小的介孔（1.7-3.0 nm之间的孔）是对于LFG中硅氧烷吸附发挥最大作用的孔；活性炭中的碱性官能团对硅氧烷吸附有利，酸性官能团中，羧基不利于硅氧烷吸附，而酚羟基对硅氧烷吸附有利；活性炭极性越弱，对于硅氧烷的吸附越强；活性炭中碳含量越高，杂原子的含量越低，对于硅氧烷的吸附效果越好。这些结论通过测定活性炭对于模拟LFG中D5的吸附得到验证。本课题还研究了活性炭的改性方法。高温氮气氛围热改性可以适当提高活性炭碱度，降低酸性官能团中羧基含量，从而提高活性炭对硅氧烷的吸附，热改性还可使活性炭平均孔径降低；氨水改性可提高活性炭碱度，降低酸性官能团含量，有利于活性炭对硅氧烷的吸附。盐酸改性对活性炭酸碱官能团的改变与氨水相反，使得活性炭的硅氧烷吸附性能下降。盐酸-热和氨水-热对活性炭改性的效果好于一步改性，其主要原因是二步改性对活性炭酸碱官能团的改变向有利于硅氧烷吸附的方向进行，若采用高浓度的氨水或盐酸改性与热改性相结合，还可使活性炭的孔径分布发生较大的变化，对某些活性炭，可大幅提高其对硅氧烷的吸附性能。采用低浓度三甲基氯硅烷正己烷溶液改性可降低活性炭极性，提高硅氧烷的吸附能力。本课题的研究结果证明活性炭是一种很好的硅氧烷吸附剂，可用于LFG资源化利用工程中的硅氧烷净化。由本课题得出的活性炭对于硅氧烷吸附的构效关系理论，为活性炭的选择提供了依据，并可对特定的活性炭提出适当的改性方案。