Ultra-High SO2 Capture by Anion-Functionalized Resins through Multiple-Site Adsorption

Xi HE Xiaoyu L Xi FAN Wenjun LIN Haoran LI Congmin WANG

Citation:  HE Xi, L Xiaoyu, FAN Xi, LIN Wenjun, LI Haoran, WANG Congmin. Ultra-High SO2 Capture by Anion-Functionalized Resins through Multiple-Site Adsorption[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2018, 34(8): 896-903. doi: 10.3866/PKU.WHXB201711271 shu

阴离子功能化大孔树脂用于二氧化硫的多位点高效捕集

    通讯作者: 王从敏, chewcm@zju.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金项目 21322602

    国家自然科学基金项目 21176205

    国家重点基础研究发展规划项目(973)(2015CB251401), 国家自然科学基金项目(21176205, 21322602), 浙江省自然科学基金项目(LZ17B060001)和中央高校基本科研业务费专项资金资助

    国家重点基础研究发展规划项目(973) 2015CB251401

    浙江省自然科学基金项目 LZ17B060001

摘要: 提出了一种针对大孔树脂阴离子功能化的新策略并合成了一系列阴离子功能化大孔树脂[IRA-900][An],在20 ℃和101.3 kPa的吸附条件下实现了对SO2的超高吸附容量(> 10 mmol·g-1)。和常规唑基阴离子功能化大孔树脂相比,聚咪唑基硼酸阴离子功能化的大孔树脂[IRA-900][B(Im)4]在低压条件下仍然展现了卓越的SO2捕集能力。吸附实验发现,[IRA-900][B(Im)4]在10.13 kPa和20 ℃的低压环境中能够保持10.62 mmol·g-1的超高SO2吸附量。通过红外谱学研究以及密度泛函理论(DFT)计算来进行吸附机理探究,发现聚唑基硼酸阴离子[B(Im)4]具有独特的正四面体构型,从而打破了阴离子上N负位点之间的电子流动和共轭效应。在[IRA-900][B(Im)4]捕集SO2过程中,阴离子连续和SO2分子发生化学相互作用时,吸附焓变无明显下降。因此,一个[B(Im)4]阴离子能够提供四个有效的作用位点和SO2发生化学吸附作用,从而在低压条件下,[IRA-900][B(Im)4]仍然实现了超高的SO2捕集能力。此外,我们对阴离子功能化大孔树脂[IRA-900][B(Im)4]在低压条件下对SO2吸附的循环稳定性做了探究。结果发现,在20 ℃和10.13 kPa的吸附环境中以及70 ℃的脱附条件下,[IRA-900][B(Im)4]展现了良好的循环稳定性,具有极大的工业应用价值。最后,这种阴离子功能化的策略以及多位点捕集方法对实现烟气环境中SO2的高效捕集开拓了新的思路。

English

    1. [1]

      Ilutiu-Varvara, D. A.; Radulescu, D. Stud. Univ. Babes-Bol. Chem. 2013, 58 (2), 143. http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2018/V34/I8/896

    2. [2]

      Wang, X. L.; Deng, J. P. Aer. Adv. Eng. Res. 2015, 39, 1207. doi: 10.2991/icadme-15.2015.222

    3. [3]

      Lehmann, J.; Solomon, D.; Zhao, F. J.; McGrath, S. P. Environ. Sci. Technol. 2008, 42 (10), 3550. doi: 10.1021/es702315g

    4. [4]

      Saastamoinen, J. J. Ind. Eng. Chem. Res. 2007, 46 (22), 7308. doi: 10.1021/ie070567p

    5. [5]

      Manovic, V.; Anthony, E. J. Fuel 2008, 87 (8–9), 1564. doi: 10.1016/j.fuel.2007.08.022

    6. [6]

      Basinas, P.; Grammelis, P.; Grace, J. R.; Lim, C. J.; Skodras, G.; Sakellaropoulos, G. P. Green Energy Technol. 2010, 329. doi: 10.1007/978-1-4419-1017-2_20

    7. [7]

      Wu, Y.; Chen, X. P.; Radosz, M.; Fan, M. H.; Dong, W.; Zhang, Z. L.; Yang, Z. Fuel 2014, 125, 50. doi: 10.1016/j.fuel.2014.02.014

    8. [8]

      Dong, R. F.; Lu, H. F.; Yu, Y. S.; Zhang, Z. X. Appl. Energ. 2012, 97, 185. doi: 10.1016/j.apenergy.2011.12.039

    9. [9]

      Woodis, T. C.; Cummings, J. M.; Hunter, G. B. Environ. Sci. Technol. 1973, 7 (9), 827. doi: 10.1021/es60081a001

    10. [10]

      Srivastava, R. K.; Jozewicz, W.; Singer, C. Environ. Prog. 2001, 20 (4), 219. doi: 10.1002/ep.670200410

    11. [11]

      Yang, D. Z.; Hou, M. Q.; Ning, H.; Zhang, J. L.; Ma, J.; Han, B. X. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15 (41), 18123. doi: 10.1002/cssc.201300224

    12. [12]

      Heldebrant, D. J.; Koech, P. K.; Yonker, C. R. Energ. Environ. Sci. 2010, 3 (1), 111. doi: 10.1039/b916550a

    13. [13]

      Deng, R. P.; Jia, L. S.; Song, Q. Q.; Su, S.; Tian, Z. B. J. Hazard. Mater. 2012, 229, 398. doi: 10.1016/j.jhazmat.2012.06.020

    14. [14]

      Gurkan, B. E.; de la Fuente, J. C.; Mindrup, E. M.; Ficke, L. E.; Goodrich, B. F.; Price, E. A.; Schneider, W. F.; Brennecke, J. F. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132 (7), 2116. doi: 10.1021/ja909305t

    15. [15]

      Srivastava, R. K.; Jozewicz, W. J. Air Waste. Manage. 2001, 51 (12), 1676. doi: 10.1080/10473289.2001.10464387

    16. [16]

      Slater, A. G.; Cooper, A. I. Science 2015, 348, 6238. doi: 10.1126/science.aaa8075

    17. [17]

      Thomas, A. Angew. Chem. Int. Edit. 2010, 49 (45), 8328. doi: 10.1002/anie.201000167

    18. [18]

      Drage, T. C.; Snape, C. E.; Stevens, L. A.; Wood, J.; Wang, J. W.; Cooper, A. I.; Dawson, R.; Guo, X.; Satterley, C.; Irons, R. J. Mater. Chem. 2012, 22 (7), 2815. doi: 10.1039/c2jm12592g

    19. [19]

      Dawson, R.; Cooper, A. I.; Adams, D. J. Polym. Int. 2013, 62 (3), 345. doi: 10.1002/pi.4407

    20. [20]

      Liao, P. Q.; Chen, H. Y.; Zhou, D. D.; Liu, S. Y.; He, C. T.; Rui, Z. B.; Ji, H. B.; Zhang, J. P.; Chen, X. M. Energ. Environ. Sci. 2015, 8 (3), 1011. doi: 10.1039/c4ee02717e

    21. [21]

      Cui, X. L.; Yang, Q. W.; Yang, L. F.; Krishna, R.; Zhang, Z. G.; Bao, Z. B.; Wu, H.; Ren, Q. L.; Zhou, W.; Chen, B. L.; et al. Adv. Mater. 2017, 29 (28), 1606929. doi: 10.1002/adma.201606929

    22. [22]

      Yang, S. H.; Sun, J. L.; Ramirez-Cuesta, A. J.; Callear, S. K.; David, W. I. F.; Anderson, D. P.; Newby, R.; Blake, A. J.; Parker, J. E.; Tang, C. C.; et al. Nat. Chem. 2012, 4 (11), 887. doi: 10.1038/NCHEM.1457

    23. [23]

      Savage, M.; Cheng, Y. G.; Easun, T. L.; Eyley, J. E.; Argent, S. P.; Warren, M. R.; Lewis, W.; Murray, C.; Tang, C. C.; Frogley, M. D.; et al. Adv. Mater. 2016, 28 (39), 8705. doi: 10.1002/adma.201602338

    24. [24]

      Wu, W. Z.; Han, B. X.; Gao, H. X.; Liu, Z. M.; Jiang, T.; Huang, J. Angew. Chem. Int. Edit. 2004, 43 (18), 2415. doi: 10.1002/anie.200353437

    25. [25]

      Zhang, S. J.; Sun, N.; He, X. Z.; Lu, X. M.; Zhang, X. P. J. Phys. Chem. Ref. Data 2006, 35 (4), 1475. doi: 10.1063/1.2204959

    26. [26]

      Lin, H.; Bai, P.; Guo, X. H. Asian J. Chem. 2014, 26 (9), 2501. doi: 10.14233/ajchem.2014.15800

    27. [27]

      Yang, D. Z.; Hou, M. Q.; Ning, H.; Ma, J.; Kang, X. C.; Zhang, J. L.; Han, B. X. ChemSusChem 2013, 6 (7), 1191. doi: 10.1002/cssc.201300224

    28. [28]

      Mondal, A.; Balasubramanian, S. J. Phys. Chem. B. 2016, 120 (19), 4457. doi: 10.1021/acs.jpcb.6b02553

    29. [29]

      Zeng, S. J.; Gao, H. S.; Zhang, X. C.; Dong, H. F.; Zhang, X. P.; Zhang, S. J. Chem. Eng. J. 2014, 251, 248. doi: 10.1016/j.cej.2014.04.040

    30. [30]

      Cui, G. K.; Wang, C. M.; Zheng, J. J.; Guo, Y.; Luo, X. Y.; Li, H. R. Chem. Commun. 2012, 48 (20), 2633. doi: 10.1039/c2cc16457d

    31. [31]

      Chen, K. H.; Lin, W. J.; Yu, X. N.; Luo, X. Y.; Ding, F.; He, X.; Li, H. R.; Wang, C. M. AIChE J. 2015, 61 (6), 2028. doi: 10.1002/aic.14793

    32. [32]

      Wang, C. M.; Cui, G. K.; Luo, X. Y.; Xu, Y. J.; Li, H. R.; Dai, S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133 (31), 11916. doi: 10.1021/ja204808h

    33. [33]

      Cui, G. K.; Lin, W. J.; Ding, F.; Luo, X. Y.; He, X.; Li, H. R.; Wang, C. M. Green Chem. 2014, 16 (3), 1211. doi: 10.1039/c3gc41458b

    34. [34]

      Tang, H. R.; Lu, D. M. ChemPhysChem 2015, 16 (13), 2854. doi: 10.1002/cphc.201500369

    35. [35]

      He, X.; Mei, K.; Dao, R. N.; Cai, J. S.; Lin, W. J.; Kong, X. Q.; Wang, C. M. AIChE J. 2017, 63 (7), 3008. doi: 10.1002/aic.15647

    36. [36]

      Srinivasan, A.; Grutzeck, M. W. Environ. Sci. Technol. 1999, 33 (9), 1464. doi: 10.1021/es9802091

    37. [37]

      Alesi, W. R.; Kitchin, J. R. Ind. Eng. Chem. Res. 2012, 51 (19), 6907. doi: 10.1021/ie300452c

    38. [38]

      Lee, H. J.; Lee, K. I.; Kim, M.; Suh, Y. W.; Kim, H. S.; Lee, H. ACS Sustain. Chem. Eng. 2016, 4 (4), 2012. doi: 10.1021/acssuschemeng.5b01325

    39. [39]

      Trofimenko, S. J. Am. Chem. Soc. 1967, 89 (13), 3170. doi: 10.1021/ja00989a017

    40. [40]

      Becke, A. D. Phys. Rev. A 1988, 38 (6), 3098. doi: 10.1103/PhysRevA.38.3098

    41. [41]

      Lee, C. T.; Yang, W. T.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37 (2), 785. doi: 10.1103/PhysRevB.37.785

    42. [42]

      Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98 (7), 5648. doi: 10.1063/1.464913

    43. [43]

      Firaha, D. S.; Holloczki, O.; Kirchner, B. Angew. Chem. Int. Edit. 2015, 54 (27), 7805. doi: 10.1002/anie.201502296

    44. [44]

      Wang, C. M.; Luo, X. Y.; Luo, H. M.; Jiang, D. E.; Li, H. R.; Dai, S. Angew. Chem. Int. Edit. 2011, 50 (21), 4918. doi: 10.1002/anie.201008151

    45. [45]

      Goeppert, A.; Meth, S.; Olah, G. A.; Prakash, S. G. K. Energy Environ. Sci. 2010, 3, 1949. doi: 10.1039/C0EE00136H

    46. [46]

      Qi, G. G.; Wang, Y. B.; Estevez, L.; Duan, X. N.; Anako, N.; Park, A. H. A.; Li, W.; Jones, C. W.; Giannelis, E. P. Energy Environ. Sci. 2011, 4 (2), 444. doi: 10.1039/c0ee00213e

    47. [47]

      Xiang, S. C.; Zhang, Z. J.; Zhao, C. G.; Hong, K. L.; Zhao, X. B.; Ding, D. R.; Xie, M. H.; Wu, C. D.; Das, M. C.; Gill, R.; et al. Nat. Commun. 2011, 2 (1), 1. doi: 10.1038/ncomms1206

    48. [48]

      Liao, P. Q.; Zhang, W. X.; Zhang, J. P.; Chen, X. M. Nat. Commun. 2015, 6, 8697. doi: 10.1038/ncomms969

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  9
  • 文章访问数:  784
  • HTML全文浏览量:  69
文章相关
  • 发布日期:  2018-08-15
  • 收稿日期:  2017-10-27
  • 接受日期:  2017-11-23
  • 修回日期:  2017-11-23
  • 网络出版日期:  2017-08-27
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章