活性炭形成亚微孔过程中自由基反应的基础研究

Activated carbon (AC) as a traditional adsorbent has been widely used in energy, chemical engineering and environmental fileds, etc. The adsorption of CO2 and H2 on activated carbon is mainly determined by the ultra-micropore (pore diameter less than 0.7 nm). The adsorption capacity of CO2 and H2 can be obviously improved by increasing the content of ultra-micropore. The formation of ultra-micropore is related to the factors of raw materials, carbonization, activation，alkali metal effect, etc. However, there is no report on the formation mechanism of ultra-micropore in AC..Through the preparation of ultra-micropore-AC in this project, the formation mechanism of pore structure of AC is further studied. By selecting different raw meterials to prepare AC, the similarities and differences of carbonization, activation，alkali metal effect are studied by free radical reactions of organic chemistry. The influence of dissociation and deposition of free radical on the formation of ultra-micropore is described by evaluating the composition and variation law of free radical in AC preparation. The critical factors for the formation of ultra-micropore will be obtained by studying the free radical reaction. Finally, this project can provide the basic theory and technology for the preparation of ultra-micropore-AC.

活性炭作为一种传统的吸附材料，在能源、化工、环境等领域有着广泛应用。活性炭对CO2和H2等气体的吸附主要与孔径小于0.7 nm的亚微孔有关。因此有效增大活性炭中亚微孔的含量，对提高活性炭对CO2和H2的吸附性能非常重要。亚微孔的形成与制备原料、制备过程（炭化和活化）和碱金属作用等因素密切有关，但目前还没有关于亚微孔形成机理的文献报道。.本项目以制备亚微孔活性炭为研究对象，深入研究活性炭孔结构的形成机理。筛选不同制备原料（煤种和生物质）来制备活性炭，利用有机化学中的自由基反应，研究炭化、活化和碱金属作用等因素在活性炭制备过程中内在联系与区别；考察活性炭制备过程中自由基的组成和变化规律，阐明自由基的解离和沉积对亚微孔形成的影响；通过自由基反应对活性炭制备过程进行解耦，掌握影响亚微孔形成的关键控制因素，为亚微孔活性炭的可控制备提供理论依据和技术支持。

活性炭作为一种传统的吸附材料，在能源、化工、环境等领域有着广泛应用。本项目基于前人的研究基础，通过研究活性炭制备过程中自由基反应，深入认识活性炭制备过程中的内在机理和关键步骤，发展活性炭制备理论，为制备活性炭提供理论支持和技术支撑。研究成果可归结为4个方面：（1）热解过程的自由基反应历程。在低于600 oC，弱共价键断裂产生自由基碎片的过程，焦炭自由基浓度不断升高；在高于600oC，主要以自由基聚合反应为主，达到800 oC时自由基完全消失。（2）在快速和慢速热解过程中，焦炭物理化学性质的演化规律。所有表面含氧官能团的含量随温度升高呈规律性变化，其中醌基的含量随着热解温度的升高而增多，该基团可作为含氧官能团趋于稳定的标记物。由于慢速热解的炭收率较高，因此自由基浓度和醌含量略高。在相同热解温度下，快速热解焦炭的石墨化程度更高。（3）亚微孔吸附方程的建立。建立了一个关联实验条件和临界孔径的吸附方程，该方程保持了势能原理、给出了吸附CO2的最小孔径、反映了物理吸附特征。该方程对炭材料吸附CO2过程具有普适性。（4）影响活性炭吸附孔雀石绿的关键因素。发现在低吸附量时，吸附动力学符合拟二级动力学方程；随着吸附量的增加，拟一级动力学方程控制吸附过程。强酸性官能团不利于孔雀石绿吸附，而总比表面积与吸附能力之间有着显著的正线性关系，可以用作衡量活性炭对孔雀石绿吸附性能的关键参数。本项目的开展既为活性炭的制备提供新思路，同时也可促进活性炭在能源和环境等领域的应用。