三维互通多孔固态胺吸附材料的结构设计及其可控制备

This project is aimed at the common scientific issues that the large mass transfer resistance of organic amine layers would reduce the dynamic adsorption performance of the adsorbent, and that moisture containing in amine layers would increase energy consumption when regenerating the spent adsorbent. Therefore, high internal phase emulsion polymerization (HIPE) is used to prepare porous polymers with three-dimensional interconnecting channel. The porous polymers will be further functionalized by using Surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP) technology to prepared thermos-sensitive solid amine adsorbent with three-dimensional interconnecting channel. Adsorption behavior of carbon dioxide on the solid amine adsorbent will be studied in detail. This project will design and synthesize a series of three-dimensional interconnecting porous solid amine adsorbents with diverse pore structures, specific surface areas, grafting chains, and amino densities. Adsorption properties of these adsorbents will be systematically studied to establish the structure-activity relationship between the adsorption performance and pore structure, grafting chains. Effect of thermos-sensitive polymers on the adsorption and desorption of the adsorbent will also be explored. The results of the project will lay a solid foundation for further develop novel solid amine adsorbent and for reducing the regeneration energy consumption.

本申请项目针对固态胺吸附材料在二氧化碳吸附捕集的过程中吸附层传质阻力大、水的溶胀在促进吸附的同时增加了吸附剂再生能耗等科学问题，借鉴高内相乳液聚合法（HIPE）制备多级互通孔聚合物基体（polyHIPEs），并利用表面引发原子转移自由基聚合法（SI-ATRP）对多孔基体进行表面功能化，制备三维互通孔温敏性固态胺吸附材料，并系统研究该材料对烟道气中二氧化碳的吸附分离行为。项目将通过设计合成系列具有不同孔结构、不同比表面积、不同接枝层厚度和不同胺化程度的三维互通孔固态胺吸附材料，并将其作为吸附剂，研究其对二氧化碳的吸附性能，建立polyHIPE多孔聚合物的孔结构和SI-ATRP聚合物分子大小、链段构象等和吸附性能的构效关系，探明温度响应性对材料吸附和脱附性能影响的内在机理。预期本项目的完成将为开发新型的二氧化碳吸附材料提供新的方法，为降低吸附剂的再生能耗提供理论借鉴。

本研究以具有三维互通孔结构的高内相乳液聚合物为基础，设计和开发了一系列新型的高内相聚合物基固态胺吸附材料。详细地表征了新型固态胺吸附剂的形貌特点以及化学和物理结构，并系统地研究了吸附条件和材料结构对CO2吸附性能的影响。利用吸附热力学和动力学的模拟计算评估了吸附剂的吸附性能，阐明了固态胺吸附剂结构和吸附性能之间的联系。.以苯乙烯和二乙烯基苯共聚物为聚合物骨架，通过添加无机硅烷偶联剂二乙烯基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯作为共聚改性功能单体，在油水界面处形成亲水性功能层，并进一步通过聚合物骨架的后交联反应和功能层的原位氨基功能化反应，提高材料的比表面积和氨基密度。动力学模型拟合表明，材料的高比表面和孔隙率增加了CO2的物理吸附量，表面丰富的氨基提升了CO2的化学吸附能力，三维互通的大孔通道赋予了材料快速的吸附动力学和高的氨基利用率。在此基础上通过致孔剂和后交联两种方式对聚合物骨架的孔结构进行调控，成功得到了四种不同孔结构特点的高内相聚合物材料，进一步通过物理浸渍的方法制备了小分子五乙烯六胺功能化的一系列不同孔结构的高内相聚合物基固态胺吸附剂。通过对不同孔结构基体的固态胺吸附剂研究，发现中大孔结构为主的高内相聚合物Meso-PDVB作为基体负载胺试剂后，对二氧化碳吸附最为有利，其吸附容量最大和吸附速率最快。通过调控聚乙烯亚胺的浓度和交联剂乙二醇二缩水甘油醚的比例得到了一系列不同氨基含量的高内相聚合物基固态胺吸附剂，该材料具有明显的三维互通网络结构。由于经过轻微的交联后所得到的高内相聚合物基固态胺吸附剂形成了“微凝胶”的区域，其与单纯的PEI浸渍型的高内相聚合物基固态胺相比，有着更高的吸附容量，更高的氨基效率，更快的吸附动力学和更好的再生稳定性。.研究成果为具有实用潜力的二氧化碳吸附新型材料的设计和制备，提供了重要的方法参考，为提高材料的吸附效率和降低吸附剂的再生能耗提供了理论借鉴。