用于CO_2捕集的金属有机框架(MOFs)材料改性研究进展

CO_2作为全球变暖和气候变化的主要责任者,它的减排刻不容缓.多孔材料吸附被认为是目前最具潜力的CO_2捕集方法之一.在众多多孔吸附剂中,金属有机框架(MOFs)材料因高孔率、可调性等特点在气体捕集方面具有显著优势.本文综述了MOFs材料用于CO_2捕集的研究进展,阐述了为提高CO_2吸附容量与吸附选择性的MOFs材料的多种改性方法.简单介绍了MOFs材料的循环再生性以及在CO_2吸附过程中抗杂质气体的稳定性,并对MOFs材料作为吸附剂应用于实际气源的前景进行了展望.     

聚合物碳化制备高比表面积微孔炭材料及其CO_2吸附性能

以商业化副产物聚偏二氯乙烯(PVDC)树脂粉末为碳源制备炭材料并研究了298 K时CO_2的吸附性能.研究结果表明,PVDC树脂直接碳化得到比表面积为1220 m~2·g~(-1)且孔径小于1.5 nm的纯微孔炭材料,CO_2在1 bar下的吸附量高达3.97 mmol·g~(-1).在此基础上用KOH对微孔炭材料进行活化处理,发现KOH活化在增大炭材料比表面积的同时能保持高微孔率,但1 bar下的CO_2吸附量适度降低.高压下CO_2吸附量与炭材料的比表面积呈正比,20 bar时在比表面积为2150 m~2·g~(-1)样品上的吸附量为18.27 mmol·g~(-1),这与其他类型高比表面积吸附剂相比都处于较高水平.     

功能化金属有机骨架材料对水中痕量磺胺氯哒嗪的吸附行为及其机理

近年来,抗生素的大量使用对生态环境和人类健康构成了严重威胁.抗生素去除技术开发引起了人们的广泛关注.本研究制备了4种具有良好水热稳定性的锆基金属骨架有机材料(UiO-66,UiO-66-NH_2,UiO-66-Cl和UiO-66-NO_2),通过比较4种材料对水中痕量磺胺氯哒嗪(SCP)的吸附性能,从中筛选出最佳吸附剂,进而探究了温度、pH、共存阴离子、腐殖酸和可再生性等因素对其吸附性能的影响,探讨了作用机制.研究结果表明,功能基团的引入提升了金属骨架有机材料对SCP的吸附性能,其中氨基的引入效果最为显著(去除率从11.62%提升至71.12%),这主要是由于氢键的作用;UiO-66-NH_2对SCP的吸附符合拟二级动力学,温度的升高抑制了吸附的进行,pH=6时吸附效果最好;Cl-和SO_4~(2-)对UiO-66-NH_2吸附性能起到了抑制作用,而腐殖酸影响较小;CO_3~(2-)的水解导致路易斯酸碱反应,从而极大地干扰了SCP的吸附过程;UiO-66-NH_2经过四次循环使用后,SCP去除率下降不到10%.本研究为采用功能化金属有机骨架材料去除水中污染物提供了新思路.     

MgCl2改性碳材料的制备及其CO2吸附性能

本文以对氯甲基聚苯乙烯微球为前驱体制备了多孔碳材料C_(CMPS),并利用MgCl_2对其进行表面修饰制得了在较低CO_2浓度环境中具有高效CO_2吸附性能的吸附剂MgCl_2(n)/C_(CMPS).探究了吸附时间,MgCl_2含量和气体流速对CO_2吸附性能的影响,并对CO_2吸附动力学进行了研究.研究表明,MgCl_2(n)/C_(CMPS)的CO_2吸附动力学符合Bangham模型.吸附时间为10 min,气体流速为10 mL·min~(-1)时,CO_2吸附量可达158.4 mg·g~(-1).循环10次,吸附量保持稳定.     

计算研究取代基对仲胺与CO_2反应动力学过程的影响

本文选取取代的二乙醇胺(DEA)为模型化合物,利用量子化学方法研究了5种不同电负性的取代基(—CH_3、—NH_2、—OH、—OCH_3、—F)分别在DEA氮原子的α和β位取代对仲胺与CO_2不同反应路径之间的动力学竞争的影响.研究表明,从动力学方面来看,胺与CO_2反应生成氨基甲酸盐是最可行的反应通道,其次是生成碳酸氢盐,而生成氨基甲酸难以实现.3条反应路径的动力学竞争顺序和伯胺是相同的.研究发现,反应能垒E_a除与胺的p K_a值相关外,还与胺的分子结构特性相关,比如:分子内氢键的形成会影响E_a.在将来的理想胺溶液的设计过程中,要综合考虑胺的p K_a值及胺的微观结构对胺与CO_2反应的动力学的影响.     

金属有机骨架材料MOF-5催化吸附SO_2

采用溶剂热法制备金属有机骨架材料MOF-5催化剂,应用于SO_2的净化处理.采用XRD、SEM、TGA和N2吸脱附等表征手段对催化剂的结构和形貌进行表征.结果表明,溶剂热法所制备的MOF-5,具有规则的立方体结构,尺寸在2—3μm左右,且比表面积可达1024 m~2·g~-1,孔容可达0.65 cm~3·g~(-1).系统考察了不同温度条件下MOF-5催化剂对SO_2的吸附能力,表明在200℃以下,MOF-5催化剂对SO_2均具有较好的吸附能力,并且具有较好的使用寿命;25℃时MOF-5催化剂对SO_2的最大吸附量为4.3 mmol·g~(-1).吡啶吸附和CO_2-TPD分析表明溶剂热法制备的MOF-5晶体具有较多的酸性活性位和碱性活性位,有利于SO_2的吸附氧化及存储.运用in situ FTIR系统研究了SO_2在MOF-5催化剂表面的反应行为,表明MOF-5催化剂表面的主要生成产物为硫酸盐,特别是双齿双核硫酸盐居多.进一步对MOF-5催化剂吸附储存SO_2的反应机理进行了深入的探讨.     

脂肪胺-硅胶的制备与其吸附Pb(Ⅱ)性能

该研究以二氧化硅、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酸甲酯和乙二胺为原料合成了脂肪胺-硅胶树脂,并利用FTIR、TG对其结构及官能团接枝率进行分析;利用所制备的脂肪胺-硅胶材料进行了重金属离子Pb(Ⅱ)的吸附研究,考察了吸附时间、温度、p H值及重金属离子对吸附的影响,并利用Langmuir和Freundlich吸附等温方程进行拟合.结果表明,该材料对Pb(Ⅱ)的吸附量达到1.67 mmol·g~(-1);合成树脂对Pb(Ⅱ)的吸附过程可用Langmuir吸附等温方程进行拟合,根据G.E.Boyd方程可知,吸附过程符合液膜扩散控制机理.     

多孔TiO2空心球降解挥发性有机物的性能

为实现挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)的高效吸附-矿化,本研究以SiO_2为模板、十二胺为成孔剂制备了不同壁厚的多孔TiO_2空心球,并以相同壁厚的SiO_2@TiO_2实心核壳材料做对比研究空心结构的光学和反应特性.采用透射电镜、氮气等温吸附-脱附、X射线衍射、紫外-可见吸收光谱、表面光电压谱等手段表征材料物化结构,以甲苯为VOCs的代表进行光催化降解实验.结果表明,多孔空心TiO_2的比表面积和吸附性能均优于实心TiO_2.同时,空心腔体显著提高了光吸收率和载流子分离效率.当壁厚为27 nm时空心材料对甲苯的降解速率和矿化效率分别达到了1.14 mg·m~(-3)·min~(-1)和81.3%,是相同壁厚条件下实心材料的2.15倍和2.31倍.     

镧掺杂纳米材料合成及其高氟选择性吸附特性

采用共沉淀法制备了镧渗杂的纳米镁铝层状双氢氧化物材料(LDHs),获得了一类对氟具有选择性的新型吸附材料.实验表征了LDH、其焙烧产物(LDOs)以及吸附氟后的材料(F-LDHs)的微观形态、体相组成等性质的变化,通过批处理试验和吸附柱试验对其工艺特性及影响因素进行了深入分析.实验结果表明,材料经600℃焙烧10min,在含200mg·l~(-1)SO_4~(2-),氟浓度为10mg·l~(-1)的配水中投加0.1g LDOs吸附240min,最高除氟率可达93.53%;在含200mg·l~(-1)SO_4~(2-)的氟溶液中,镁铝铜LDOs吸附氟的容量高于镁铝LDOs;吸附柱实验中,14h时出水氟含量小于国家标准(1 mg·l~(-1));共存阴离子对材料的除氟干扰强度排序为:Co_3~(2-)>PO_4~(3-)>NO_3~->Cl~-.材料吸附氟后可用0.5mg·l~(-1)的Na_2CO_3洗脱,并经600℃焙烧10min再生,再生4次后选择性除氟效果稳定.     

基于稻草还田的稻田生态系统N素吸收特性研究

采用田间试验研究了稻草还田环境下施N模式对稻田生态系统N素吸收量及N肥利用率的影响.结果表明:稻草还田配施N肥能显著提高水稻N素吸收转化功能,且高量常规N处理下尽管水稻N素吸收量增多,但只有一定量N素能转移到穗部,其余则仍然留存在营养器官中.所有处理N肥的吸收利用率为26.7%～30.7%、农学利用率为10.5～12.2 kg·kg-1,N肥利用率较低,且随着施N量增加呈下降趋势.随着与稻草配合施用,N肥利用率各指标中除吸收利用率略有下降外,其他各指标(包括农学利用率、生理利用率和偏生产力)均有一定程度提高.根据稻田作物N素吸收转化状况与N肥利用率,在全年稻草还田量为7 500 kg·hm-2的红壤稻田系统,建议全年适宜配施N量为185 kg·hm-2.