毫米级聚丙烯腈基活性炭球的可控制备、表征及其CO2吸附性能研究

燃煤电厂CO2的捕获一直是研究的热点。固体吸附剂尤其是活性炭最具有替代有机胺的潜力。电厂CO2的捕获适宜采用大型循环流化床，而适用于该设备的吸附剂最好是气阻较小且不变、耐磨的毫米级球状活性炭。本申请已首次制备出了毫米级的聚丙烯腈活性炭球，为该项目顺利实施奠定了基础。通过稀土元素的催化作用和稀土与聚丙烯腈共聚物中羧基络合产生的稀土配合物的模板作用对活性炭球的孔结构进行设计和调控，再辅之以造孔剂和化学活化等一系列创新手段来实现该新型聚丙烯腈基活性炭球孔结构的调控；调整含氮共聚单体与聚丙烯腈的聚合和炭化活化技术，以对活性炭球的氮含量和含氮官能团种类进行控制；在模拟研究CO2在活性炭球上的吸附、脱附行为基础上，阐明该球炭结构与其CO2捕获能力的内在相关性，优化工艺，最终研制出CO2吸附性能优异的新材料。该申请的成功实施将对提升我国在高性能材料的研制及其在碳减排方面的应用具有重要的意义。

燃煤电厂CO2的捕获一直是研究的热点。固体吸附剂尤其是活性炭最具有替代有机胺的潜力。电厂CO2的捕获适宜采用大型循环流化床，而适用于该设备的吸附剂最好是气阻较小且不变、耐磨的毫米级含氮的球状活性炭。.聚丙烯腈是氮含量和残炭量均较高的聚合物，适合作为富氮的球状活性炭的前躯体。本项目主要进行了如下研究：.1 原材料合成工艺的改进.之前我们的制备方法是采用丙烯腈均聚的方法，导致所制备的小球外观颜色不均匀，无亮度，且球形度较差。为此在丙烯腈中增加了一种聚合组分即衣康酸，实验发现，聚丙烯腈小球的球形度和亮度随衣康酸含量的增加而变好，其中在5-13wt%之间效果最好。.2 成球步骤的优化.聚丙烯腈的成球是通过良溶剂和不良溶剂之间转化进行的，原来使用的不良溶剂为水，这将导致聚丙烯腈的快速固化，从而显著影响其性能。本研究重点考察了良溶剂和不良溶剂比例以及相关凝固参数的影响，优化了相应的工艺参数。.3 聚丙烯腈基活性炭小球的孔结构控制及CO2吸附性能.在对聚丙烯腈基活性炭小球的孔结构和表面形貌表征基础上，分析了其特殊孔道的形成机理；通过丙烯腈与含有伯氨基的丙烯酰胺进行共聚，并采用稀土元素镱和铈作为催化剂，KOH作为活化剂，获得了氮含量超过8wt%、比表面积达2032m2/g的聚丙烯腈球状活性炭，该活性炭中还残留有一定数量的钾原子，且其表面氮原子的连接方式也发生了改变，这三方面的结果强化了产品对CO2的吸附性能，使得其对CO2的吸附量高达20wt%，成为当年度国际上最好的结果。.4 PAN活性炭球强度的强化研究.针对前述工作制备的球状活性炭的强度偏弱问题，也进行了诸如采用活化程度较弱的活化剂对PAN小球进行活化、在所得PAN树脂球内通过共聚填充以及采用苯乙烯-二乙烯基苯-丙烯腈共聚制备活性炭球等方法来增强活性炭强度的工作，也取得了较好的结果。.在上述研究基础上，本项目发表了研究论文13篇，会议文章5篇，申请了10项发明专利，其中授权4项，取得了1项省部级二等奖，争取了800万元的科研经费，培养了5名博士，与国外合作，既提高了知名度也分享了研究成果。.本项目的顺利实施，为球状活性炭尤其是以聚丙烯腈为前躯体提供了新的制备方法，通过分析阐述孔道形成机理为孔结构的调控指明了方向，大量实验研究也为活性炭表面化学性质改性奠定了相应基础，最终研制出了CO2吸附性能优异的新材料。