活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭摻入復合材料吸附乙醇蒸氣

　　夏日炎炎由供冷供熱需求引起的用電量大幅上漲，為了節能減排新的節能技術尤為重要。吸附熱泵在活性炭吸附劑吸附解吸和吸附質蒸發冷凝過程中，利用吸附床代替壓縮機來達到制冷和制熱的目的。它克服了機械壓縮系統和液-汽吸收系統的局限性，具有能利用低級熱量、無運動部件和具有良好儲熱性能的固體吸附劑等優點。在常用制冷劑中，乙醇蒸氣具有水所不具有的低凝固點(-114℃)的特點，滿足其在低溫條件下的應用;與甲醇蒸氣相比，乙醇蒸氣無毒、生態相容，與各種材料相容，但其潛熱比甲醇蒸氣低30%。

　　在常見的吸附劑中，活性炭來源多，價格低廉，活性炭對制冷劑乙醇蒸氣的吸附能力大，解吸溫度和吸附熱低。因此，有大量關于活性炭-乙醇蒸汽在吸附制冷中的應用。通過新型小型吸附式制冷機樣機的設計、實施和測試，利用活性炭/乙醇蒸汽工作對空調和制冷條件下所能達到的熱力學性能進行評估，并開展了實驗活動確定市場上可用的好活性炭。當然也有好用的復合材料。盡管復合材料和活性炭都對乙醇蒸氣具有良好的吸附性能，但目前尚無研究將其制成活性炭復合吸附材料并將其應用于乙醇蒸氣吸附。我們這次使用了很多種不同比例的添加摻入活性炭和復合材料，從而進行材料對乙醇蒸汽的吸附研究。

　　活性炭摻入復合材料的合成

　　這次研究的復合材料是通過水熱法合成的。具體合成過程如下：首先將12克硝酸鉻(III)九水合物、1,4-苯二甲酸和144毫升蒸餾水放入三口燒瓶中，加熱攪拌三口燒瓶在油中30分鐘使其混合均勻。然后將混合物轉移到襯有聚四氟乙烯的高壓釜中，向混合物中加入1.5mL氫氟酸。然后將混合物在油中加熱8小時。反應結束后，取出反應器，冷卻至室溫。我們將粗產物(沒有不完全反應的對苯二甲酸晶體)和N,N-二甲基甲酰胺加熱并攪拌1小時。最后，將所得混合物過濾;將濾液離心，并依次用氟化銨、水、乙醇蒸氣洗滌。離心得到的產物在下真空干燥12小時。通過添加不同含量的活性炭，得到兩種復合材料：5%活性炭復合材料和10%活性炭復合材料。

　　圖1：三個樣品成品。

　　掃描電鏡分析

　　合成樣品的SEM圖像如圖2示。復合材料晶體明顯呈現規則的八面體結構，5%活性炭摻入和10%活性炭摻入與復合材料晶體結構相同，類似于八面體立面結構，但復合晶體表面呈現一定的缺陷。

　　圖2：(a)復合材料的SEM圖像，(b)摻入5%活性炭和(c)10%活性炭的樣品。

　　乙醇蒸氣吸附等溫線

　　吸附等溫線可用于分析在特定吸附溫度下吸附劑與制冷劑之間的平衡吸附容量和相互作用。對于吸附制冷，吸附材料的吸附性能應在中低相對壓力范圍內表現出快速吸附的特性。對于以乙醇蒸汽為制冷劑的吸附式制冷系統，探索活性炭在0.05-0.4相對壓力下的吸附性能是非常必要的。

　　圖3復合材料和活性炭對乙醇蒸氣吸附等溫線，從圖中可以看出三種材料的乙醇蒸氣吸附等溫線均呈現“I型”吸附等溫線。吸附劑的主要吸附區間在0-0.4的相對壓力下。此外，當相對壓力為0-0.05時，三種材料均表現出快速吸附能力。這種現象可歸因于不飽和金屬位點的配位。當相對壓力為0.05時，活性炭復合材料對乙醇蒸氣的吸附能力分別為約0.4g/g、0.25g/g、0.22g/g。當相對壓力為0.4時，活性炭復合材料對乙醇蒸氣的吸附能力分別為約0.9g/g、0.62g/g、0.55g/g。5%活性炭摻入對乙醇蒸氣的飽和吸附容量約為0.7g/g，乙醇蒸氣的10%活性炭摻入約為0.61g/g。本研究制備的復合材料的乙醇蒸氣飽和吸附容量稍低，是由加熱速率、凈化、壓力等引起的。與純樣品復合材料相比，5%活性炭摻入的飽和吸附量降低了28%，10%活性炭摻入的飽和吸附量降低了37%。結果表明，活性炭的摻入能更好地用于制冰和冷藏條件。

　　圖3：復合材料和活性炭的摻入在30℃乙醇蒸氣的吸附等溫線。

　　活性炭吸附乙醇蒸氣的究采用水熱法成功制備了復合材料，5%活性炭和10%活性炭。對材料進行了深度分析并探討了樣品對乙醇蒸氣的吸附性能。

　　(1)活性炭的加入對復合材料的骨架晶體結構沒有影響。

　　(2)SEM結果表明，三種樣品具有相似的規則八面體結構，但活性炭的加入會導致活性炭摻復合材料晶體表面出現一定缺陷。

　　(3)與復合材料相比，活性炭的摻入使熱穩定性有所提高。

　　(4)氮吸附和解吸等溫線結果表明復合材料的比表面積和孔體積顯著增加，三個樣品具有兩種不同的籠狀結構。活性炭的加入有利于中孔的打開。

　　(5)當相對壓力P/P0≤0.4時，三個樣品均表現出對乙醇蒸氣的快速吸附。雖然復合材料的乙醇蒸氣吸附能力下降，但活性炭的摻入表現出更均勻的吸附速率。這說明了活性炭復合材料在吸附式制冷系統中的應用前景。

　　我們這次研究的活性炭復合材料，為今后乙醇蒸汽工質在吸附制冷中的應用提供了參考，如果有任何技術問題都可以咨詢我們了解的。

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