膜状有序孔分级碳材料制备及SOx定向迁移解吸机制

The direct absorption of desorption H2SO4 is the dreams and challenges of desulfurization technology with activated carbon materials. The transformation of SO2→H2SO4 and migration occurrence of H2SO4 occurs in hierarchical structure of activated carbon with orderly connected microporous and mesoporous, and constructing of membranaceous carbon material with orderly connected microporous and mesoporous is the realization foundation of directed migration and direct absorption of desorption H2SO4. Distribution of polar functional group has an important influence on adsorption, polar molecule forms and transport behavior of polar molecule, such as H2O/SO3/H2SO4. Proper hardware design of polar functional group distribution can promote elution and transport H2SO4 of with H2O. Therefore, an conception about structure and function of “membranaceous ordered carbon material with hierarchical pores” was proposed in this project. At macroscopic side, membranaceous construction can separate SO2 adsorption process and H2SO4 absorption into different side of membrane, which means adsorption absorption can be set as a continuous process; at microscopic side, quasi-two-dimension space, in where ordered pore classification and functionalization can realize ,is built at pore space of memberane. The project will provide theory basis for membrane functional carbon material preparation, and laid the theoretical foundation for the development of new desulfurization process.

活性炭材料脱硫技术中，实现吸附质H2SO4的直接解吸是技术梦想和挑战。SO2→H2SO4的转化及H2SO4的迁移赋存发生在活性炭微孔-中孔分级结构内，构建有序连通的微孔和中孔膜状碳材料是实现吸附质H2SO4定向迁移、直接解吸的依托；极性官能团对H2O/SO3/H2SO4等极性分子的吸附、赋存形态及输运行为具有重要影响，设计极性官能团的分布，可望促进H2O对H2SO4的洗脱和输运。为此，本项目提出了“膜状有序孔分级碳”结构和功能构想：宏观上，膜状结构将SO2吸附过程和H2SO4解吸过程分隔在两侧，才能实现SO2→H2SO4转化过程的连续进行；微观上，构建准二维空间，实现碳材料有序孔分级及表面功能化，即在微孔表面修饰碱性官能团以强化对SO2的吸附转化；在中孔处修饰极性官能团以强化极性吸附质的迁移。项目可为膜状功能性碳材料制备技术提供理论依据，并为开发新型脱硫工艺奠定理论基础。

基于吸附质H2SO4高效解吸，实现连续地SO2吸附与H2SO4回收，对提高活性炭材料脱硫效能以及污染物资源化回收价值具有重要意义。本项目基于纳孔空间对SO2→H2SO4吸附迁移过程的作用，构建了有序连通的微孔和中孔碳结构；基于H2O/SO3/H2SO4等极性分子在孔结构内吸附、赋存及迁移特性的研究，对有序孔分级碳材料表面功能化进行调控，促进H2SO4解吸。主要取得以下研究成果：. （1）采用气体活化法快速制备了微孔、中孔分级的煤基活性炭，通过表面官能团数量与孔结构特性参数的相关性分析，得到特定官能团在孔结构内表面的分布特征。通过分析SO2吸附氧化及SO3/H2SO4赋存空间，得到微孔和中孔的连通性是保证S持续转化的基本孔隙条件。通过分析H2O吸附及其对SO2→H2SO4转化的影响，得到表面官能团极性分布对H2SO4解吸的作用。. （2）采用化学法定向合成了两种分级孔碳结构。一种采用溶胶-凝胶法，制备了中孔孔径分布在3.1~4.3 nm的中孔炭，改变TEOS/蔗糖摩尔比、溶胶pH值等因素，可实现对孔隙率和孔径分布的调控。另一种采用溶剂蒸发诱导自组装法，制备了二维六方形孔道有序中孔炭。通过控制苯酚/甲醛摩尔比、P123/F127质量比，对有序孔道的孔径和孔容进行调控。通过在自组装过程添加TEOS，可以显著扩宽中孔孔径及孔容，且显示双孔道结构特征。采用CO2活化在孔道表面发展微孔，得到了有序连通的微孔、中孔碳材料。. （3）针对有序孔分级碳结构，进行表面功能化调控，得到了微孔结构与表面官能团同步调控方法。采用后处理改性方式对表面官能团极性分布进行调控，低浓度NH3高温改性实现了微孔表面氮掺杂，强化了SO2吸附性能；HNO3溶液氧化改性增加了有序中孔表面羧基等极性官能团的数量，促进了SO3/H2SO4洗脱与迁移过程。