论文部分内容阅读
电子产品消费量的增加和使用寿命相对较短导致电子产品的废弃量急剧增加。据报道,2016年中国废电器产品为3.78亿,其中电视机报废量为3060万。报废电子产品主要成分为金属,塑料和玻璃纤维,其中塑料的量占总量的20～30%,再加上塑料的非生物降解性,对环境造成了严重的污染。因此,提高废塑料的回收利用率成为当前需要解决的关键问题。传统的废塑料处理的方法为填埋法、焚烧法、裂解法、气化法等。这些方法存在土地占用率高、水污染和大气污染等缺点。本课题采用废旧电视机外壳为原料,制备了大孔型强酸性阳离子交换树脂（MCER）和离子交换树脂有机胺复合材料（MCER-DEA）,将MCER和MCER-DEA作为燃煤电厂排放的CO2吸附材料,实现了节约资源和保护环境的双重效果,利用高斯软件从分子水平上深入研究了MCER和MCER-DEA的制备机理和吸附机理。其主要研究内容如下:以废旧电视机外壳（WTVC）为原料,通过磺化反应和溶胀-渗透方法来制备大孔型强酸性阳离子交换树脂（MCER）,将其应用于燃煤电厂排放的CO2捕集。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和热重分析（TGA）对反应前后的材料进行表征,结果表明,浓硫酸（H2SO4）与废旧电视机外壳（WTVC）苯环上的H发生亲电取代反应,成功制备磺酸钠型树脂。通过加入致孔剂正庚烷、乙醇和水,考察不同反应条件（正庚烷的量、乙醇/水质量比和致孔时间）下制备的MCER对CO2吸附能力的影响。当致孔剂正庚烷的量为25 g,乙醇/水质量比为90:10,致孔时间为5 h时制备的MCER对CO2的平衡吸附量最大为1.87 mmol/g。采用Weber-Morris颗粒内扩散模型研究了吸附动力学,结果表明,内扩散是整个吸附过程的速率控制步骤。以大孔型强酸性阳离子交换树脂（MCER）为基本骨架,采用接枝法将二乙醇胺（DEA）接枝到MCER的磺酸基团上,制备新型的离子交换树脂有机胺复合材料（MCER-DEA）,主要应用于燃煤电厂烟道气CO2的捕集。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和热重分析（TGA）对MCER与二乙醇胺（DEA）的反应机理进行了研究,结果表明,MCER与DEA之间形成氢键和酸碱配位作用力。考察不同二乙醇胺（DEA）加入量、不同反应时间和不同反应温度下制备的离子交换树脂有机胺复合材料（MCER-DEA）对CO2吸附能力的影响。结果显示,在最佳条件下（二乙醇胺9 m L,反应时间5 h,温度70℃）制备的MCER-DEA对CO2平衡吸附量为2.87 mmol/g,优于MCER对CO2的吸附量（1.87 mmol/g）。吸附动力学研究证明,MCER-DEA对CO2吸附主要是化学吸附。利用密度泛函理论（DFT）从分子水平上研究了MCER和MCER-DEA的制备机理,并通过量子化学计算进一步揭示MCER和MCER-DEA对CO2吸附机理。结果表明,亲电取代发生在苯环上间位的H原子与H2SO4之间,制备了大孔型强酸性阳离子交换树脂（MCER）。计算出MCER-DEA的电子能为1.14 ev,表明MCER与DEA形成酸碱配位,成功制备了离子交换树脂有机胺复合材料（MCER-DEA）。MCER与CO2之间的电子能量为0.27 ev（1 ev=96.5 kJ/mol）,相互作用力主要由氢键控制,MCER-DEA与CO2的电子能量为3.02 ev,相互作用力主要由配位键决定。进一步表明MCER和CO2主要是物理吸附,MCER-DEA和CO2主要是化学吸附。