一种聚吡咯的绿色环保合成方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种聚吡咯的绿色环保合成方法及其应用，其包括如下步骤：S1、将酸性溶液中与吡咯单体混合，搅拌均匀；S2、向步骤S1混合均匀的溶液中加入氧化剂，搅拌均匀后再静置一段时间；S3、静置后的混合溶液经过滤、洗涤、干燥得到黑色固体聚吡咯。本发明专利技术的合成方法简单，绿色环保，适合工业化应用，该方法合成的聚吡咯适合用作吸附剂，可以直接捕集潮湿烟道气中的CO2，不用预处理除去烟气中的水分，绿色节能。

A green synthetic method of polypyrrole and its application

【技术实现步骤摘要】
一种聚吡咯的绿色环保合成方法及其应用
本专利技术涉及一种聚吡咯的绿色环保合成方法及其吸附性能的应用，属于材料制备

技术介绍
聚吡咯(PPy)是一种常见的导电聚合物，其合成方式一般分为两种：电化学方法得到黑色聚吡咯膜和化学氧化法得到黑色粉末。电化学得到的聚吡咯膜通常被用作导电材料，而化学氧化法得到的聚吡咯由于其具有良好的生物相容性，在生物医学领域有着广泛的应用前景。据报道常用的氧化剂一般为三氯化铁、过硫酸铵，但这些对环境造成污染的强氧化剂，不使用双氧水，因其氧化速率较慢而不采用双氧水为氧化剂。CO2是空气的主要成分之一，虽然是最大的温室气体，但同时也是一种珍贵的碳资源。目前燃煤电厂的烟气排放占全国二氧化碳排放的重要部分，并且燃煤电厂排放的烟气含有5-12％的水蒸气，这对二氧化碳捕集造成了巨大的挑战。常用的工业中捕集二氧化碳的材料有活性炭、沸石、分子筛、金属氧化物等，但是这些吸附剂往往只适用于分离干燥环境中的CO2，当处于潮湿环境中时，它们吸附二氧化碳的能力会急剧降低。目前物理吸附法所用的吸附剂常为粉末态，不能直接应用于吸附柱中，需要将其进行二次处理，如利用造球等技术将其成型，这个过程成本较高，对工业化大规模应用有一定的限制。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种聚吡咯的绿色环保合成方法及其吸附性能的应用。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种聚吡咯的绿色环保合成方法，其包括如下步骤：S1、将酸性溶液中与吡咯单体混合，搅拌均匀；S2、向步骤S1混合均匀的溶液中加入氧化剂和催化剂，搅拌均匀后再静置一段时间；S3、静置后的混合溶液经过滤、洗涤、干燥得到黑色固体聚吡咯。在一个优选的实施方案中，在步骤S1中，所述酸性溶液为盐酸，其pH值控制在0～3。在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，所述氧化剂为双氧水，所述催化剂为铁离子；所加氧化剂的量按照双氧水与吡咯单体的摩尔比为0.5：1添加；所述铁离子和双氧水的摩尔比例为0.001～0.27。本专利技术中的氧化剂具体是指双氧水，所以用双氧水的量来计算摩尔数，铁离子主要在该反应中起催化作用。在一个优选的实施方案中，所述铁离子为三价铁离子Fe3+或二价铁离子Fe2+。Fe3+和Fe2+在芬顿体系中相互转化，当第一次实验结束时收集其滤液，滤液中即含有Fe2+，再用该滤液作为反应体系进行下一次合成且不加Fe3+。在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，所述搅拌时间为0.5h～3h，静置时间为2h～48h。在一个优选的实施方案中，在步骤S3中，所述过滤用真空泵抽滤和离心机离心，所述洗涤用的是去离子水洗涤至滤液澄清，所述干燥采用40℃～95℃干燥4h～24h。在一个优选的实施方案中，还包括S4、将步骤S3过滤后的滤液收集起来，为下次聚吡咯的合成反应提供酸性溶液和催化剂。在一个优选的实施方案中，在步骤S4中，所述提供酸性溶液和催化剂为利用滤液中的H+和铁离子继续反应，加入反应物和双氧水便可完成反应。进一步地，所述补充补充HCl的量x和催化剂的量y据滤液中剩余酸的量m和铁的量n而定(均用摩尔数来表示)，关系式如下：x+m＝1，y+n＝7.4×10-5。本专利技术还提供上述绿色环保合成方法制备的聚吡咯在用于气体吸附剂的应用，所述聚吡咯用作气体吸附剂，在潮湿烟道气中吸附分离气体。在一个优选的实施方案中，所述聚吡咯作为气体吸附剂在0℃至90℃温度下，变压条件下吸附分离CO2、N2等气体。在一个优选的实施方案中，所述变压条件下为0.01bar～1bar。采用上述方法制备的聚吡咯可以在潮湿烟道气中直接吸附CO2，而现有量产的吸附剂不能直接吸附，需要将烟气进行预处理除去水分。本专利技术制备的聚吡咯用作吸附剂可以在改变压强的情况下，实现吸附分离气体，如在高压下能够有效吸附气体，而在低压下，将吸附放入气体释放出来，达到吸附分离的目的。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的合成方法是以吡咯为单体，双氧水和氯化铁组成的芬顿试剂作为氧化剂和催化剂，盐酸提供酸性环境进行合成聚吡咯，该合成方法简单，绿色环保，适合工业化应用，该方法合成的聚吡咯适合用作吸附剂，可以直接捕集潮湿烟道气中的CO2。本专利技术制备的聚吡咯与现有物理吸附剂相比，具有很强的耐水性，可以在潮湿环境中吸附CO2，不用预处理除去烟气中的水分，绿色节能。附图说明图1为实施例1-4循环得到的4次样品，在30℃时CO2的吸附等温线；图2为合成的聚吡咯样品在30℃时CO2、N2吸附等温线；图3为自制穿透装置原理图；图4为合成的聚吡咯样品在30℃时的H2O穿透曲线。具体实施方式本专利技术研究的聚吡咯制备方法为：将吡咯单体加入到酸性溶液中，再加入以双氧水和铁离子组成的“芬顿试剂(Fenton’sReagent)”作为氧化剂，便会立刻生成黑色沉淀物-聚吡咯。广义上芬顿法是利用催化剂、光辐射等作用，通过H2O2产生羟基自由基(·OH)处理有机物的技术。本专利技术采用Fe3+替代Fe2+形成类芬顿体系，减少了·OH被Fe2+还原的机会，可提高·OH的利用率。铁盐组成的芬顿试剂的氧化反应原理如下：Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OH(1)Fe2++·OH→Fe3++OH-(2)RH+·OH→H2O+R·(3)R·+Fe3+→R++Fe2+(4)其中，RH指有机化合物，在本专利技术中指的是C4H5N，芬顿试剂是在酸性条件下发生作用的，在中性和碱性环境中Fe2+不能催化氧化H2O2产生OH-。考虑到Fe2+易氧化，故本专利技术采用先加Fe3+，先发生反应方程(4)，若采用Fe2+则先发生反应(1)，方程(1)～(4)循环反应，在芬顿体系中Fe3+和Fe2+互相转化，从中可以看出铁离子有Fe3+和Fe2+两种价态，作为桥梁作用连接整个反应。本专利技术的方法反应迅速，温度和压力等反应条件缓和并且没有二次污染；另外，将过滤得到的滤液收集起来可以为下一次合成提供酸和氧化剂，滤液可以循环使用多次；得到的最终产物聚吡咯具有很强的耐水性，可以被用作捕集潮湿烟道气中CO2的吸附剂，并且产物为固体硬块状，可以直接放到吸附柱里使用。本专利技术方法为绿色可循环的方法，在效率高、没有二次污染的情况下合成聚吡咯用作吸附剂，在HCl提供酸性环境的条件下，加入一定量的吡咯单体和芬顿试剂，合成聚吡咯以应用于烟道气中二氧化碳的捕集。本专利技术经过大量实验发现，氧化剂-芬顿试剂中铁离子的量直接影响反应的速率，当铁离子与双氧水的比值为0.27时，褐色沉淀物(聚吡咯)立即大量生成，随着铁离子与双氧水的比值逐渐缩小黑色沉淀物的生成越来越慢，当比值为0.001时，黑色沉淀物5分钟之后才开始形成，半小时后大量产生；但不影响最终聚吡咯的产量(9.5g左右)和气体吸附量(0℃常压下吸附量1.2mmol/g)。为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。实施例1先准备酸性溶液：将30mLHCl溶于330mL去离子水中，pH＝0，在磁力搅拌器上搅拌均匀，然后取8.3mL吡咯逐滴慢慢加入到准备好的酸性环境中，搅拌20-30min至混合均匀，再加入20mLH2O2和0.02gFeCl3·6H2O(组成芬顿试剂)，黑色沉淀物立即形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚吡咯的绿色环保合成方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、将酸性溶液中与吡咯单体混合，搅拌均匀；S2、向步骤S1混合均匀的溶液中加入氧化剂和催化剂，搅拌均匀后再静置一段时间；S3、静置后的混合溶液经过滤、洗涤、干燥得到黑色固体聚吡咯。

【技术特征摘要】
1.一种聚吡咯的绿色环保合成方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、将酸性溶液中与吡咯单体混合，搅拌均匀；S2、向步骤S1混合均匀的溶液中加入氧化剂和催化剂，搅拌均匀后再静置一段时间；S3、静置后的混合溶液经过滤、洗涤、干燥得到黑色固体聚吡咯。2.如权利要求1所述的绿色环保合成方法，其特征在于，在步骤S1中，所述酸性溶液为盐酸，其pH值控制在0～3。3.如权利要求1所述的绿色环保合成方法，其特征在于，在步骤S2中，所述氧化剂为双氧水，所述催化剂为铁离子；所加氧化剂的量按照双氧水与吡咯单体的摩尔比为0.5：1添加；所述铁离子与双氧水的摩尔比值为0.001～0.27。4.如权利要求3所述的绿色环保合成方法，其特征在于，所述铁离子为三价铁离子Fe3+或二价铁离子Fe2+。5.如权利要求1所述的绿色环保合成方法，其特征在于，在步骤S2中，所述搅拌时间为0.5h～3h，静置时间为2h～48h。6.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丽影，李刚，王哲，杜涛，谢路芳，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21