微生物调控构筑特定多级孔炭材料及其“孔结构-VOCs吸附性能”关系

For the control of atmospheric pollution by volatile organic compounds (VOCs), adsorption technology is widely used as the main means. Carbon materials as traditional VOCs adsorbents have the advantages of low cost and wide adaptability, but there are some problems such as poor targeting and large mass transfer resistance. In this project, the new strategy will be proposed to prepare the hierarchical porous carbon material with controlled pore structure, that is, the lignocellulose decomposing microorganisms are used to orient and control pore-forming and decomposition of plant biomass materials, and according to the different molecular dynamics diameter of VOCs, to construct the pore structures with specific pore size distribution, micro / meso / macropore ratio and the average pore size of the pore structure, in order to enhance the adsorption capacity of VOCs and reduce the mass transfer resistance. By utilizing advanced analysis instruments such as specific surface area and void analyzer, TEM, FTIR, XRD, XPS, Raman spectroscopy and quantitative analysis of structure-property relationships, the preparation rules and regulatory conditions of hierarchical porous carbon materials regulated by microbial co-cultivation will be systematically studied, to clarify the biochemical mechanism of microbial regulation on the pore structure construction of hierarchical porous carbon materials and reveal the quantitative relationship among regulation factors, structural parameters and adsorption performance of the hierarchical porous carbon materials. The implementation of this research project would realize the controllable preparation of the hierarchical porous carbon materials by microbial co-cultivation, improve the compatibility of the carbon adsorbents with VOCs, and provide the theoretical basis and guidance for the development of a new generation of highly effective and specialized VOCs adsorbent.

目前吸附技术是挥发性有机物（VOCs）污染控制的主要手段之一，其中被广泛使用的炭材料吸附剂具有成本低、适应性广等优点，但也存在针对性差、传质阻力大等问题亟需解决。本项目提出多级孔炭材料制备新策略，即利用木质纤维素分解微生物对以木质素、纤维素或半纤维素为主的植物生物质原料进行定向调控，针对不同分子动力学直径VOCs构筑特定孔径分布、微/介/大孔比例、平均孔径的孔结构，以提升材料VOCs吸附容量、降低传质阻力。拟采用比表面积及孔隙分析、TEM、FTIR、XRD、XPS、拉曼光谱和多元定量模型等手段，明确以微生物调控孔结构为基础的多级孔炭材料构筑规律和调控因子，阐明微生物调控构筑孔结构的生物化学机理，揭示多级孔炭材料“调控因子-结构参数-吸附性能”之间的定量关系；从而实现多级孔炭材料微结构的微生物可控制备，提高吸附剂与VOCs的匹配性，为开发具有专效、高效的VOCs吸附材料提供理论依据。

目前吸附技术是挥发性有机物（VOCs）污染控制的主要手段之一，其中被广泛使用的炭材 料吸附剂具有成本低、适应性广等优点，但也存在针对性差、传质阻力大等问题亟需解决。本研究提出了一种利用微生物靶向降解法制备生物质基多级孔炭材料的方法，制备的生物炭相较传统活性炭对VOCs的吸附性能得到了较大提升，制备方法简单，避免二次污染。该方法下的材料具有特定多级孔结构和VOCs吸附能力。选用黄孢原毛平革菌、绿色木霉、塔宾曲霉分别预处理生物质中的木质素、纤维素和半纤维素，研究不同微生物对多级孔生物炭物理化学性质和甲苯吸附容量的影响。结果表明，微生物预处理可以成功地提高炭的SBET、孔容及甲苯吸附容量，且表面结构紊乱程度高、粗糙、多级孔，更有利于甲苯的吸附。三种微生物的靶向降解存在一定差异，其中通过P. chrysosporium分解木质素的更易导致中孔丰富，而T. viride降解纤维素有助于微孔的生成，A. tubingensis介于两者之间。由于微孔为多数VOCs的重要吸附位点，故进一步研究了绿色木霉孔径调节机制，发现其规律主要分为3个阶段：1. 孔数量扩张阶段（0~5d），孔数量明显增多，发生在生物质结晶度大幅度提升阶段；2. 孔径迁移阶段（5~7d），孔径往更小的孔道迁移，小孔明显增加，与表面基团的突变点一致；3. 孔道塌陷阶段（10d后），孔道结构发生坍塌，比表面积减少。通过数学模型拟合，得出微孔段孔径规律，指导孔径定制化生物炭的制备。针对不同分子直径的VOCs（如甲苯以及间二甲苯），通过GCMC分子模拟计算出最佳吸附孔径，利用绿色木霉预处理成功地筛选出具有最佳吸附孔径的针对性吸附剂材料。其中绿色木霉分解3d的多孔碳有利于间二甲苯较大的分子吸附，而绿色木霉降解7d的多孔碳，更有利于甲苯等分子直径较小的气体吸附。本研究实现了特定微孔/介孔/大孔比例的生物质基多级孔炭，表现出优异吸附能力，并成功探索微生物预处理生成微孔和介孔的机制，为微生物预处理制备特定挥发性有机物的吸附剂奠定了研究思路。