界面水对离子型聚合物吸附CO2动力学的动态调控机制研究

The performance of CO2 solid sorbent affected by interfacial water is difficult to control and the mechanism behind is still unclear. Aiming at this common issue, the project focuses on the microscopic behavior of interfacial water, multi-component adsorption and heat-transfer coupling in adsorption process. Meanwhile the dynamic regulation mechanism of ionic polymeric sorbent affected by interfacial water is revealed progressively. Based on quantum chemistry modeling, physical and chemical behaviors of bound water at the interface or in the transmission path are depicted, and the effect laws of material structure on the behavior of interfacial water are analyzed, as well as the development of reaction path controlled by interfacial water. Given the microscopic mechanism of mass transfer, an unsteady adsorption kinetics model is developed, and the dynamic adsorption experiments are designed to obtain the effect of interfacial water on the reaction and diffusion process, thus realize the combination of microscopic mechanisms and macroscopic models. IR, TGA and in situ infrared thermometry are used to observe the thermodynamic parameter of interfacial hydration process. By coupling the unsteady mass and heat transfer process, the theoretical framework of the development process of heat wave and the interactive effect between the process and the mass transfer are established to explore the effective control method about the effect of interfacial water on adsorption process in a real environment. This project would greatly contribute to the mass industrial utilizations of CO2 solid sorbent.

针对CO2固体吸附剂性能受界面水影响难于调控且机理不清这一共性问题，本项目着眼于吸附过程中的界面水微观行为、多组分吸附、热质耦合等关键科学问题，对新型离子型聚合物吸附剂受界面水的动态调控机制进行多尺度、多维度的逐层揭示。基于量子化学建模，系统刻画结合水在界面及传输通道中的物理、化学行为，研究材料结构对界面水行为的影响规律，揭示反应路径受界面水的调控机理；在获得微观传质机理的基础上，构建非稳态吸附动力学模型，结合动态吸附实验得到界面水对反应、扩散等物理、化学过程的影响规律，并实现微观机理与宏观模型的有机结合；基于热重红外联用及吸附界面原位红外测温等先进实验技术，获得界面水合热力学参数及热效应，通过非稳态传质、传热过程耦合，揭示吸附过程中热波的演变及其与传质过程的相互作用规律，进而建立在实际环境中针对界面水对吸附性能影响的有效调控方法，为CO2固体吸附剂的工业应用奠定重要的科学基础与理论依据。

针对CO2固体吸附剂性能受界面水影响难于调控且机理不清这一共性问题，项目组围绕CO2吸附过程中的界面水微观行为、多组分吸附、热质耦合等关键科学问题，对新型离子型聚合物吸附剂受界面水的动态调控机制进行多尺度、多维度的逐层揭示。借助量子化学建模，深入刻画结合水在界面及传输通道中的关键过程和调控机制；利用微观模型与宏观实验相结合，构建基于偏微分方程组的非稳态扩散-反应吸附模型，探究界面水对吸附物理、化学过程的影响规律以及传质过程的影响机理；基于热重红外联用及吸附界面原位红外测温等实验手段，研究界面水合热力学参数及热效应，并揭示吸附过程中热波的演变及其与传质过程的作用规律，最终筛选出针对界面水对CO2吸附性能影响的有效调控方法。在本项目的支持下，率先发现了界面水对CO2吸附反应路径的调节机制，验证了通过改变配对阴离子类型将构型显著变化的单步CO2吸附转为结构变化相对较小的两步反应以降低活化能的可行性；同时，两步反应机制促进了界面水的解离以及界面水催化CO2吸附的进一步发生；通过独创的多元扩散-反应传质非稳态模型与频率响应实验耦合方法，发现该聚合物中分子的扩散系数高于离子扩散系数，而界面水的增加可以有效促进离子扩散，证实了其内部离子水合态的传递机制；基于开发的热重-微量热实验系统，揭示了吸附过程的“自冷却现象”，即CO2吸附伴随界面水合水的相变迁移，削弱了整体反应的表观吸附热，“吸附冷却”现象可以提高吸附反应吸附容量与材料利用效率。该项目的系列研究成果可以指导CO2吸附实现低成本、低能耗以及稳定循环目标，为固体吸附剂的工业应用奠定重要的科学基础与理论依据。项目全面完成了既定目标，发表论文13篇，其中SCI论文11篇，申请发明专利1项。项目负责人做国际会议邀请报告2次，参加人员做国际会议口头报告2次，培养博士研究生4人，硕士研究生4人。项目负责人在项目执行期间获浙江省自然科学基金杰出青年资金资助。