不同尺寸粒径聚苯乙烯基炭球的制备及性能研究

作     者：胡志文 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟庆函

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：球形活性炭 聚苯乙烯 超级电容器 甲基紫 电吸附 

摘      要：针对近些年人类面对的能源危机、气候变化等挑战,活性炭在储能和吸附等领域不断开拓着新的应用。相对于其它种类活性炭,球形活性炭具有高流动性、高强度、高耐磨性、高填充密度和高吸附性等特点,在电化学储能、水处理、溶剂回收、储氢等领域有着更高的应用价值。本文设计并制备了不同尺寸粒径的聚苯乙烯基球形活性炭,并对其在超级电容器、电吸附脱盐及吸附有机染料甲基紫废水等领域中的应用进行了研究。主要研究内容如下: 首先利用悬浮聚合法,以苯乙烯（St）为聚合单体、二乙烯基苯（DVB）为交联单体、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为分散剂制备了聚苯乙烯基树脂球前驱体,并在800℃下直接炭化,随后采用CO2活化,成功制备球形活性炭。结果显示随着DVB含量从10%增加到40%,树脂球的粒径从20μm-150μm逐渐增大,粒径分布也变大;当PVP的含量控制在5%左右能得到颗粒分散,粒径饱满的树脂球,炭化后才能到更好的球形活性炭;比表面积测试（BET）显示C-PS-DVB40%球形活性炭比表面积为398 m2g-1;电化学循环伏安测试（CV）显示在2 m V s-1扫描速度下比电容为167 F g-1;电吸附脱盐测试显示,当电压为1.2V,流速为20 m L min-1、Na Cl浓度为800 mg L-1时,电吸附量为14.68 mg g-1,具有良好的循环利用性能。 其次以St为聚合单体,DVB为交联剂,丙烯酸（AA）为功能单体,采用分散聚合法制备了聚苯乙烯基树脂球前驱体,并进一步采用傅克烷基化超交联反应,以1,2-二氯乙烷为溶胀剂,二甲氧基甲烷为外交联剂,无水三氯化铁为催化剂,对树脂球前驱体进行了二次高交联,通过预氧化、炭化和CO2活化成功制备了亚微米级PS-DVB-AA球形活性炭。结果显示当DVB的含量为40%、乙醇/水的比例为1:0.3、AA的含量为5%时,所制备树脂球前驱体具有最好的形貌,粒径约为1.54μm,在高温炭化中微球仍旧能保持高度的球形态,且单分散性好、比表面积为913m2g-1、孔径分布以微孔为主。CV显示PS-40%DVB-AA球形活性炭在扫描速率为2 m V s-1时的比电容为265 F g-1;电吸附脱盐测试显示,当电压为1.2V,流速为20 m L min-1、Na Cl浓度为800 mg L-1时,电吸附量为20.09 mg g-1;吸附甲基紫溶液的实验表明,该球形活性炭材料在碱性水溶液体系中对于甲基紫的去除效果比在酸性水溶液体系中更好;在p H=8,甲基紫浓度为40 mg L-1时,出现最大的吸附量为126.8 mg g-1;通过简单热处理后的炭球吸附量并无明显变化,表明该材料具有优秀的可回收利用价值和良好的吸附甲基紫废水应用前景。