活性炭國(guó)家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭孔隙對(duì)丁烷工作容量的影響

　　近年來(lái)，環(huán)境法規(guī)日益加強(qiáng)，為了滿足這一要求，需要具有更好孔隙特性的活性炭。活性炭已應(yīng)用于蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)罐中，以減少未燃燒的碳?xì)浠�合物。�?dāng)停車或給車輛加油時(shí)，蒸發(fā)的氣體主要在車輛的油箱中產(chǎn)生。蒸發(fā)后的氣體被吸附在濾罐的活性炭上，行駛時(shí)，吸附的氣體從活性炭中清除并在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒。我們使用磷酸活化制備了具有優(yōu)異孔隙特性的用于汽車蒸發(fā)系統(tǒng)的活性炭。通過(guò)觀察微觀結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)分析，研究了磷酸活化條件對(duì)孔隙特性的影響。此外，通過(guò)結(jié)構(gòu)特性與丁烷工作能力之間的相關(guān)分析，來(lái)了解碳罐性能需要的活性炭孔結(jié)構(gòu)。

　　活性炭的吸附等溫線和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)

　　等溫吸附-解吸曲線是分析活性炭組織特性的很有用的分析方法。圖1顯示了根據(jù)各種磷酸活化溫度，活性炭的等溫吸附-解吸曲線。隨著活化溫度的升高，活性炭的等溫吸附/解吸曲線從IUPAC分類的I型變?yōu)镮I型。活性炭-400的等溫吸附曲線屬于IUPAC分類的I型�；钚蕴�-400的吸附曲線僅在相對(duì)壓力(P/P0)為0.05或更小時(shí)才觀察到。這些結(jié)果由活性炭的孔壁和吸附劑(N2)之間強(qiáng)烈的相互作用引起的單層吸附以及形成微孔的平均活性炭所表明。在相對(duì)壓力(P/P0)為0.05或更低的條件下以及在相對(duì)壓力(P/P0)為0.05或更高的條件下均觀察到活性炭-500至活性炭-800的等溫吸附曲線。這些結(jié)果不僅是由于單層吸附，而且是由于孔壁和吸附劑的多層吸附，而且在發(fā)達(dá)的活性炭中主要觀察到了微孔和中孔。

　　在圖1b中，觀察到所有活性炭曲線，直至0.01的相對(duì)壓力(P/P0)都具有幾乎相似的吸附行為。因此，無(wú)論激活溫度如何，所有活性炭都具有相似的微孔結(jié)構(gòu)。眾所周知，磷酸的活化機(jī)理會(huì)導(dǎo)致無(wú)定形聚合物(半纖維素和木質(zhì)素)的活化在400攝氏度或更低的溫度下產(chǎn)生大部分微孔，而結(jié)晶纖維素的活化則在150攝氏度的溫度下產(chǎn)生孔徑混合的物質(zhì)。換句話說(shuō)，可以確定微孔是由無(wú)定形聚合物脫水直至活性炭-400所產(chǎn)生的，而中孔是在活性炭-500至活性炭-800中通過(guò)磷酸鍵的分解而產(chǎn)生的。

　　圖1：活性炭的等溫線吸附-解吸曲線隨各種磷酸活化溫度的變化(a)正常和(b)對(duì)數(shù)。

　　活性炭的等溫吸附曲線滯后受活化溫度的影響。分別作為IUPAC標(biāo)準(zhǔn)H4型和H3型觀察到活性炭-400至活性炭-500和活性炭-600至活性炭-800的磁滯。因此，認(rèn)為活性炭‐400至活性炭‐500和活性炭‐600至活性炭‐800的孔隙形狀分別具有狹縫狀的細(xì)孔和狹縫狀的細(xì)孔�；钚蕴吭诨罨�開始時(shí)會(huì)形成狹縫狀的細(xì)孔，但隨著活化溫度的升高，它會(huì)變成狹縫狀的細(xì)孔。磷酸活化機(jī)制是通過(guò)各種化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，例如磷酸酯鍵的分解，渦輪層堆積和晶體氧化，并且已知根據(jù)活化溫度而具有不同的反應(yīng)速率。

　　丁烷工作容量

　　丁烷工作容量是用于分析活性炭罐性能的分析方法。通過(guò)活性炭在正丁烷上的吸附和解吸行為來(lái)分析丁烷工作容量。分別通過(guò)解吸后的吸附率和殘留率來(lái)計(jì)算丁烷活性和丁烷保持性。圖2顯示了活性炭的丁烷工作容量。隨著活化溫度的升高，丁烷活性從32.34%提高至58.81%。另一方面，隨著活化溫度的升高，丁烷的保留率從400到700攝氏度下降到10.12-3.55%，然后在800攝氏度升高到9.96%。活性炭分別由微孔和中孔的體積決定。

　　圖2：活性炭的丁烷工作容量能力隨各種磷酸活化溫度的變化而變化。

　　此外，代表活性炭丁烷吸附和解吸行為的丁烷工作容量隨著活化溫度的升高，在700攝氏度時(shí)升高至22.2–52.8%，然后在800攝氏度時(shí)降低至48.8%。丁烷工作容量是反映兩種丁烷的指數(shù)活動(dòng)和保持力。因此，活性炭-700被認(rèn)為具有很好的丁烷工作容量性能，因?yàn)樗�具有出色的丁烷活性和最低的丁烷保持力。另一方面，盡管活性炭-800具有出色的丁烷活性，但與活性炭-700相比，丁烷的保持力高，因此被認(rèn)為具有與活性炭-600相似的丁烷工作容量性能。

　　活性炭孔隙對(duì)丁烷工作容量的影響，在使用高中孔體積的活性炭。研究了各種穩(wěn)定化和活化溫度對(duì)活性炭孔結(jié)構(gòu)的影響�？梢愿鶕�(jù)磷酸活化條件任意地控制組織性質(zhì)(比表​​面積和中孔體積分?jǐn)?shù))�；钚蕴康亩⊥楣ぷ魅萘颗c亞中孔體積密切相關(guān)。還可以推斷，中孔體積分?jǐn)?shù)分別在2.8–3.8nm和5.0–7.0nm范圍內(nèi)分別控制正丁烷的吸附和解吸。針對(duì)車輛的污染物排放，具有優(yōu)異的丁烷工作能力(高丁烷活性和低保持力)的蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)需要有效的吸附劑。證實(shí)活性炭具有出色的比表面積和中孔體積分?jǐn)?shù)，因此擁有更好的丁烷工作容量。

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