聚合物基杂化多孔材料的制备及应用

摘要

二氧化碳排放导致全球气候变暖，为此对化石燃料燃烧后气体进行脱碳处理势在必行。常规碳捕集方法为醇胺溶液吸收法，存在醇胺易分解和挥发、运行能耗高和设备腐蚀严重等诸多问题。与此相比，固体吸附可有效规避上述问题，是替代吸收法的一个良好选择。本文以浓乳液聚合物为模板，制备碳纳米管-聚苯乙烯杂化多孔材料，提高材料对CO2的吸附能力，并增强材料的机械性能。主要研究内容如下:　　1、针对碳纳米管在水中分散性差的缺点，通过酰氯化反应，将聚乙烯亚胺(PEI)接枝到羧基化碳纳米管的表面。通过红外光谱确定了聚乙烯亚胺以化学键的方式接枝到了碳纳米管的表面，通过热重、元素分析确定了聚乙烯亚胺的接枝量。经过接枝的碳纳米管在水中的溶解度达到了9.5mg/g H2O，具有良好的水溶性。　　2、对浓乳液聚苯乙烯(PS)模板在不同条件下的抗压性能进行测试后发现，分散相越大，制得的PS的机械性能越差。乳化剂用量对机械性能有一定影响，乳化剂含量为25％时，PS抗压性能最好。用“一步法”将水溶性碳纳米管掺杂到PS中，当CNTs质量占连续相质量的1％时，CNTs-PS杂化聚合物的抗压性能提高了3.5倍。　　3、将分子量为600的聚乙烯亚胺(PEI-600)负载到CNTs-PS上，得到一种新型CO2多孔吸附材料，并对其吸附性能进行研究。在1bar，纯CO2条件下，PEI负载量为70％的掺杂1％CNTs的吸附剂在75℃吸附量达到最大值5.02mmol/g adsorbent，比未掺杂的材料吸附量提高2.9％。CNTs-PS-70％PEI在10％CO2/N2环境下的吸附选择性为398。在10％CO2/N2环境下，对该吸附剂吸脱附速率进行分析发现，该吸附剂10min可以完成吸附量的90％。吸附温度最合适值为75℃，脱附温度最合适值为110℃。110℃下，10min内可完成脱附总量的97％以上。CNTs-PS-70％PEI在30个吸脱附循环下，吸附量仅下降4.9％，说明该吸附剂稳定性能好，可循环利用。

目录

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摘要

第一章 文献综述

1．1 课题研究背景

1．2 碳纳米管的改性接支

1．2．1 碳纳米管的筒述

1．2．2 碳纳米管的结构与性能

1．2．3 碳纳米管的化学修饰与溶解性

1．3 浓乳液聚合物

1．3．1 乳液模板法概念

1．3．2 浓乳液模板聚合法制备材料的方法

1．3．3 浓乳液聚合法的特征和优点

1．4 二氧化碳的捕集

1．4．2 CO2捕集的研究现状

1．4．3 燃烧后CO2捕集的方法

1．5 研究目的、内容和研究意义

1．5．1 研究目的和意义

1．5．2 研究主要内容

2．1 引言

2．2 实验原料与试剂

2．3 实验仪器及设备

2．4 实验过程与步骤

2．5 改性后碳纳米管性能表征结果与讨论

2．5．1 改性后碳纳米管的元素分析

2．5．2 红外光谱分析法

2．5．3 热重分析

2．5．4 TEM(Transmission Electron Microscopy)透射电镜分析

2．5．5 溶解度测试分析

2．6 本章小结

第三章 碳纳米管—浓乳液聚合物杂化材料的制备

3．1 引言

3．2 实验试剂

3．3 实验仪器及设备

3．4 实验过程与步骤

3．5 结果与分析

3．5．1 实验仪器及测试方法

3．5．2 实验结果分析

3．6 本章小结

第四章 碳纳米管—聚合物复合杂化材料吸附剂的制备及对CO2吸附性能研究

4．1 引言

4．2 实验试剂

4．3 实验仪器及设备

4．4 吸附剂材料的制备与表征

4．4．1 吸附剂材料的制备过程

4．4．2 吸附材料的SEM扫描电镜分析

4．4．3 吸附材料的红外光潜分析

4．4．4 PEI负载量不同的吸附剂材料热重分析

4．5 吸附材料吸附性能研究

4．5．1 二氰化碳和氮气吸附实验

4．5．2 不同CNTs掺杂量的材料对CO2吸附吸附性能的影响

4．5．3 不同温度对吸附性能的影响

4．5．4 不同含量聚乙烯亚胺(PEI)对吸附性能的影响

4．5．5 杂化吸附剂对CO2和N2的选择性研究

4．5．6 PEI含量对吸附剂吸附及解吸速率的影响

4．5．7 吸附剂的吸附脱附循环研究

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 研究结论

5．2 建议与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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