多孔材料在CO2分离膜制备和低浓度废水处理中的应用
多孔材料因具有种类多样、比表面积高、孔结构可调、易于功能化修饰等优点被广泛应用于CO2吸附分离、水体和气体中污染物的吸附去除等领域。本论文基于CO2分离和水体中低浓度污染物去除这两个应用研究目标，制备多种功能化的多孔材料（ZIF-8、氮掺杂橡胶籽壳生物质活性炭和富氮聚缩醛胺），并将其引入到聚合物膜中制备一系列具有CO2高渗透通量和分离选择性的混合基质膜（MMMs），研究聚合物种类、多孔填料种类、添加量对混合基质膜结构和CO2分离性能的影响和传输机理。进一步研究制备的氮掺杂活性炭材料在实际化工废水中重金属Hg2+和苯酚类有机物的吸附去除性能。论文的主要研究内容如下： （1）针对聚合物膜的气体渗透通量和分离选择性之间的权衡限制，利用ZIF-8纳米颗粒在溶液中优异的分散性，使用先分散后交联的策略将ZIF-8掺杂到聚三氟丙基甲基硅氧烷（PTFPMS）的聚合物网络中，制备一系列ZIF-8/PTFPMS混合基质膜。研究表明，3wt%ZIF-8/PTFPMS膜的CO2渗透通量达1668Barrer，CO2/N2选择性为20.0，相对于纯PTFPMS膜，混合基质膜的CO2的渗透通量提高76.6%，CO2/N2的选择性提高50.7%。 （2）针对生物质资源的高附加值利用，采用生物质橡胶籽壳为碳源，三聚氰胺为氮源，KOH为活化剂，利用一步煅烧的措施，通过优化制备条件，得到一系列比表面积、孔结构及表面功能基团可调的氮掺杂生物质活性炭材料。研究表明，在橡胶籽壳/KOH/三聚氰胺的添加比例为1/2/0.8和活化温度为600℃条件下，所制备的氮掺杂活性炭（RSS-5-600℃）的CO2吸附量达5.81mmol/g（273K/1bar），CO2/N2和CO2/CH4的吸附选择性分别达到35.81和9.67。为进一步提高混合基质膜对于CO2的分离选择性，选用对CO2具有更高亲和力的交联PEO膜，RSS-5-600℃作为多孔填料，通过热交联的措施将RSS-5-600℃引入到聚合物膜中，制备了一系列RSS-5-600℃不同添加量的混合基质膜。1.5wt%RSS-5-600℃/PEO膜的CO2/N2和CO2/CH4的选择性分别高达48.6和19.0，CO2渗透通量为821Barrer。相对纯PEO膜（390Barrer），氮掺杂活性炭基混合基质膜的CO2渗透通量提高110.5%，CO2/N2和CO2/CH4的选择性分别提高49.5%和50.8%。 （3）针对生物质氮掺杂活性炭中氮含量少的问题，制备一种富氮超微孔聚缩醛胺PAN-NH2，其丰富的含氮官能团（伯胺、仲胺和三嗪）导致很高的CO2/N2选择性，且可以与聚合物PEO链段形成氢键，进一步提升膜的CO2分离性能。通过热交联反应制备一系列PAN-NH2/PEO混合基质膜。当PAN-NH2填充量为2wt%时，其CO2的渗透通量达1030Barrer，比纯PEO提高164.1%。CO2/N2和CO2/CH4的理想选择性分别达到72和19.8，相对纯PEO分别提高121.5%和57.1%，CO2/N2分离性能超过了upperbound（2019）。在二元气体混合物的分离中，2wt%PAN-NH2/PEOMMMs的CO2/N2和CO2/CH4的分离因子达73和19.7，在实际烟道尾气中的CO2/N2的分离因子为65。 （4）针对废水中低浓度污染物的处理问题，将制备的氮掺杂橡胶籽壳活性炭用于处理实际化工生产中产生的低浓度含重金属离子废水和苯酚类有机废水的吸附分离。其中，RSS-5-700℃的Hg2+吸附容量高达2711mg/g，在有多种金属离子（Hg2+、Cu2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+和Mg2+）存在竞争吸附的情况下，RSS-5-700℃对于重金属离子废水中Hg2+、Cu2+、Cd2+和Pb2+去除率分别达到81.9%、94.8%、85.7%和75.1%。RSS-5-800℃活性炭对初始COD浓度为228mg/L的苯酚类有机废水的吸附量为89mg/g，在4次循环使用内，RSS-5-800℃对于苯酚类废水的COD去除率保持在70%以上。
低浓度废水处理;多孔材料;氮掺杂生物质活性炭;PAN-NH2;混合基质膜;CO2分离
北京化工大学
博士
化学工程与技术
谭天伟
2022
中文
X703
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）