在最近發(fā)表在ACS Applied Engineering Materials雜志上的一篇論文中，研究人員介紹了一種可擴(kuò)展且簡單的技術(shù)，可將聚丙烯 (PP) 外科口罩廢料轉(zhuǎn)化為摻雜有硫的碳纖維，該碳纖維可以顯示出對二氧化碳 (CO2) 的高吸附能力和選擇性反對 N2。
背景
制造業(yè)、交通運(yùn)輸和發(fā)電等各個(gè)行業(yè)的大量溫室氣體排放對環(huán)境產(chǎn)生了不利影響，包括全球變暖加速、極端天氣和空氣污染引起的呼吸系統(tǒng)疾病。此外，不斷增加的CO2濃度將導(dǎo)致全球健康和環(huán)境危機(jī)。
因此，在開發(fā)CO2捕獲技術(shù)方面的持續(xù)努力已經(jīng)導(dǎo)致在制造工廠中液體吸附劑系統(tǒng)的商業(yè)規(guī)模實(shí)施。然而，這些通常伴隨著腐蝕、有害副產(chǎn)物的釋放和嚴(yán)重的吸附劑再生損失。
近期減少 CO2排放的研究包括使用金屬有機(jī)框架 (MOF)、生物質(zhì)前體碳化以及硫摻雜（S-摻雜）碳。另一項(xiàng)研究展示了使用 PP 纖維生產(chǎn)中空碳纖維，然后通過活化步驟形成小孢子。這項(xiàng)工作可以解決由于在 COVID-19 大流行期間產(chǎn)生的大量口罩廢物而引起的擔(dān)憂，從而導(dǎo)致聚丙烯制成的一次性塑料的制造和消費(fèi)量顯著增加。
關(guān)于研究
在目前的工作中，該團(tuán)隊(duì)采用磺化化學(xué)方法將源自 PP 口罩的 PP 纖維交聯(lián)，并通過在聚合物骨架上添加磺酸將其轉(zhuǎn)化為 S 摻雜碳纖維。
這項(xiàng)研究是在切割外科口罩以取出添加了 98% 硫酸的外部無紡布層之后進(jìn)行的。然后使用電馬弗爐將這些材料加熱到 145°C。然后用去離子 (DI) 水清洗樣品，干燥，然后在管式爐中在 N2氣氛中碳化至 800°C。
使用 PerkinElmer Frontier 衰減全反射傅里葉變換紅外 (FTIR) 光譜儀，鑒定了口罩樣品的化學(xué)成分。此外，使用掃描電子顯微鏡（SEM）檢查了不同處理階段（包括碳化和交聯(lián)）后掩模的微觀結(jié)構(gòu)。碳化面罩的元素組成是通過能量色散 X 射線光譜 (EDX) 確定的。為了確定具有相關(guān)纖維結(jié)構(gòu)基序的CO2結(jié)合能，使用了密度泛函理論（DFT）模擬。
觀察
FTIR 光譜表明聚合物骨架在 2,920 cm-1峰處的 CH 拉伸隨著磺化反應(yīng)的進(jìn)行而減小。然而，觀察到 FTIR 光譜在四小時(shí)后幾乎一致，表明反應(yīng)完成。此外，在磺化 4 小時(shí)后碳產(chǎn)率達(dá)到 40% 左右，這表明使用濃硫酸在 145°C 下交聯(lián)足以使面膜樣品中的 PP 纖維完全交聯(lián)。
在交聯(lián)和碳化過程之后，原纖維結(jié)構(gòu)可以保持完整。然而，PP衍生的碳可以產(chǎn)生微孔。由于交聯(lián)量的增加，在較長的磺化持續(xù)時(shí)間下觀察到微孔。此外，增加磺化持續(xù)時(shí)間會(huì)增加硫和氧的雜原子濃度。因此，這些碳纖維作為 CO2捕獲吸附劑的使用是通過多孔特性和雜原子含量實(shí)現(xiàn)的，在 1 bar 下的最高比吸附容量總計(jì)為 3.11 mmol/g。此外，與 N 2相比，這些材料還顯示出對 CO2的選擇性高約 53 倍。
然而，12 小時(shí)的交聯(lián)表明吸附容量降低，含硫量略高。這些結(jié)果表明，CO2捕獲效率的確定還取決于硫原子在碳結(jié)構(gòu)內(nèi)的局部化學(xué)環(huán)境。為了了解它們的長期使用和性能，研究了從 PP 口罩中提取的碳纖維對 CO2分子的解吸和吸附的循環(huán)穩(wěn)定性。據(jù)觀察，在 150 °C 下加熱吸附劑可以完全排出捕獲的 CO2 氣體分子，從而使消耗的吸附劑能夠徹底再生。此外，吸附劑還表現(xiàn)出高循環(huán)穩(wěn)定性，在超過 35 個(gè)循環(huán)后仍保持 92% 以上的性能。
結(jié)論
總而言之，研究人員使用 PP 基外科口罩通過聚合物前體在硫酸存在下在高溫下交聯(lián)來生產(chǎn)碳纖維。已確定硫原子可以通過磺化反應(yīng)結(jié)合到碳基質(zhì)中。此外，通過調(diào)節(jié)磺化周期，可以控制碳骨架中的硫摻雜量。
此外，由于它們有利的極性相互作用，硫雜原子以及碳纖維選擇性可以提高CO2吸附能力?？傮w而言，作者認(rèn)為，從回收的口罩廢料中生產(chǎn) CO2吸附劑到 S 摻雜的碳纖維中是一種可擴(kuò)展且直接的替代方案，可以有助于緩解日益增加的塑料污染和大氣溫室氣體所帶來的環(huán)境問題。
資源
2022. Mark Robertson、Alejandro Guillen Obando、Bianca Nunez、Haoyuan Chen 和 Zhe Qiang。將口罩廢物升級為碳捕獲吸附劑：一項(xiàng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的研究。ACS 應(yīng)用程序。Eng.Mater.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaenm.2c00030
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