活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭微孔中環戊烷的吸附和解吸

　　環戊烷是一種脂環烴，已知具有多種重要的工業應用，例如氣霧劑，橡膠基粘合劑，合成樹脂和泡沫的合成。它也被用作聚氨酯絕緣泡沫的制造中的發泡劑，是一種有前途的制冷劑。環戊烷的另一個非常有趣的特征是它可以在大氣壓下且溫度不太低可用于形成籠形水合物，為了改善環戊烷的水合轉化率。本次通過分析各種質地特性的活性炭中環戊烷的吸附和解吸，通過結合表征(孔體積，孔和粒徑分布)，環戊烷的吸附和解吸等溫線和吸附焓測量，對環戊烷的吸附進行了研究并表征了具有互補質地的四種活性炭。

　　圖1：用光學顯微鏡觀察活性炭顆粒的外部形態。

　　活性炭中環戊烷的吸附和解吸

　　吸附能力和焓通過圖2所示的環境下吸附/解吸等溫線評估不同樣品的吸附能力。這些等溫線在納米多孔活性炭中呈現出典型的蒸汽吸附形狀，在低壓下相應于微孔的填充，吸附的環戊烷急劇增加。對于最高壓力(P/P>0.5)，該趨勢可以直接與通過氬氣孔率法獲得的孔徑分布關聯。確實，對于主要是微孔的活性炭1，2和3，可以很快獲得飽和平臺，而對于包含中孔的活性炭4，環戊烷的吸附量仍在不斷增加。對應于介孔中環戊烷的分層。

　　圖2：通過重量分析法測得的不同活性炭上環戊烷的吸附/解吸等溫線。

　　四種活性炭的吸附容量與它們的孔體積直接相關，較高的孔體積導致較高的吸附容量。微孔活性炭對環戊烷吸附等溫線的比較清楚地表明，即使可以預料到由于顆粒大小和孔體積，顆粒大小也不會顯著影響環戊烷吸附能力。

　　環戊烷吸附/解吸后活性炭的表征

　　確定導致環戊烷吸附的孔徑在環戊烷脫附后，在初級真空下24小時內長時間抽空后，用氬氣對活性炭進行表征。可以理解，氬氣在吸附的環戊烷中的溶解度被忽略。環戊烷吸附前后孔容和孔徑分布的差異如圖3所示。可以看到，所有可到達的孔體積都減小了，這證實了部分孔隙仍然充滿了環戊烷。對不同孔徑分布的分析以及樣本之間的比較使得可以得出一些結論。首先，無論活性炭如何，環戊烷吸附/脫附前后的中孔數量(孔徑>2nm)均保持不變，這表明即使在該類型的孔隙中存在活性位，環戊烷也可從中孔脫附。相反，對于每個活性炭，幾乎所有的超微孔和小微孔(孔徑<1.1nm)都會填滿，這表明由于在這種小腔中流體與固體之間的高相互作用，環戊烷仍被困在這些孔中，對于中間微孔(1.1nm<孔徑<2nm)，無論活躍孔隙的數量和性質如何。

　　圖3：通過氬氣吸附測量的活性炭的孔體積。

　　通過氣孔法對環戊烷吸附/脫附前后的活性炭進行分析，可以進一步洞察一些已經發表的研究，這些研究觀察到了活性炭中環戊烷的捕集，但沒有確定相關的孔隙度。活性炭對環戊烷水合物結晶的影響時，液體環戊烷被活性炭吸收，因為直接吸收比蒸汽吸附更容易在工業過程中實施。為此，在初級真空下于12小時內純化后，向微孔活性炭吸收了一部分液體環戊烷。

　　環戊烷在活性炭中的吸附幾乎不可逆。一方面，吸附和解吸等溫線測量表明，即使在初級真空下長時間抽空后，所有活性炭中仍保留著29%至48%的環戊烷。另一方面，量熱測量已確定在最低的環戊烷負載下會發生高能吸附。環戊烷吸附和解吸前后的孔隙率法確定，顆粒尺寸對環戊烷吸附的影響可以忽略不計，而孔徑分布的影響卻很大。小于1.1nm的孔徑被認為是造成不可逆環戊烷吸附的原因。孔隙分布與孔隙率法的耦合表明，要除去滯留在超微孔中的環戊烷，必須有著比較高的溫度。在存在活性炭的情況下水到水合物的轉化率較低可能與環戊烷吸附有關。由于高環戊烷儲存容量和易于環戊烷釋放對于活性炭增強環戊烷水合物的形成是必需的，因此建議使用大多數孔大于1.1nm的微孔活性炭，以保持此處給出的結果。

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