[01395738]结构可控型纳米多孔炭高效水处理技术及应用

本项目属环境化学和炭素材料交叉领域。 纳米多孔炭是指以碳为基本骨架且具有不同尺度的纳米孔隙之物质。传统活性炭（三维）、石墨烯（二维）和活性炭纤维、碳纳米管（一维）都属于多孔炭的范畴。多孔炭含有丰富的孔隙结构和表面化学结构,具有孔隙发达、比表面积大、吸附性能佳等一系列优点,在水质净化领域具有巨大优势。但多孔炭在制备和功能化应用过程中仍存在一些共性难点问题：单一的活化反应方式难以精确控制多孔炭的孔隙结构;活性炭等传统多孔炭大多为粉状,限制了其大规模应用;纤维状等一维高性能多孔炭难以大规模工业化生产等。针对多孔炭制备和应用过程中存在的上述共性难题,开展理论、技术和设备系列攻关,对纳米多孔炭的可控制备及工业化应用意义重大。 在国家自然科学基金、中国博士后基金特别资助等支持下,本项目提出了过渡金属催化活化理论,实现了高比表面积纳米多孔炭的可控制备,建立了碳质原料的热解活化能模型,实现了多孔炭孔隙结构、化学结构的有效调控,开发了纳米多孔炭水处理技术及系列配套装置,发明了纤维状多孔炭的连续工业化生产技术及装置,实现了纳米多孔炭在水处理中的工业化应用。主要理论和技术创新如下： 1、提出了过渡金属催化活化理论,实现了高比表面积纳米多孔炭的可控制备。以价廉易得的重质渣油、农林废弃物等为原料,围绕纳米多孔炭材料的选控制备、结构调控及其在水处理领域应用这一主题,根据原料结构及化学组成特点,基于“产品工程”策略,通过有机地融合化学化工原理和孔结构构建调控策略,综合采用微波技术、水热合成方法和多相催化原理,实现了多孔炭的可控制备。 2、实现了多孔炭孔隙结构、化学结构及抗氧化性的定向调控。采用气相碳沉积、液相浸渍、热处理及其耦合技术,精确调控了多孔炭的孔隙结构。借助渗硼渗磷等,通过在多孔炭表面形成B-O,P-O,显著提高了多孔炭的抗氧化性,为多孔炭在高温环境中的应用奠定了基础。 3、发明了纤维状纳米多孔炭（活性炭纤维）连续化生产技术,所制纳米多孔炭比表面积可达3000m2/g,结构形貌可控,该技术填补了我国连续工业化生产纤维状多孔炭的空白。 4、发明了不同用途的纳米多孔炭水处理系列技术与装置,并成功应用于饮用水深度净化、工业污水处理等领域,成功实现了纳米多孔炭的工业应用。 该成果已获国家发明专利15项、实用新型专利5项;撰写“石油基碳质材料的制备及应用”专著1部,发表论文177篇,其中SCI收录7篇,组织国际学术会议3次,显著推动了学科和行业科技进步并提升了国际影响力;团队成员1人入选教育部新世纪优秀人才,1人获山东省青年科技奖;已培养研究生及现场技术人员300余人,社会效益显著。 研究成果已在中国石化胜利石油管理局供水公司（水质净化）、山东潍焦基团有限公司（含油污水处理）应用,近3年新增产值3.9亿元。该成果陆续被东营巨嘉环保设备有限责任公司、青岛中科昊泰新材料科技有限公司、日照岚星化工工业有限公司等采用,显示出广阔的应用前景,经济效益显著。