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

　　活性炭是吸附劑固體，根據(jù)表面上的含氧基團含量，可以產(chǎn)生不同程度的疏水性。這種性質(zhì)有利于吸附可能存在于大氣中的低分子量有機化合物(脂肪族)，降低其污染水平。近年來，這種化合物被稱為揮發(fā)性有機化合物(VOC)并且在室溫下顯示出高蒸氣壓，這使得它們在溢出或泄漏的情況下容易到達空氣中。揮發(fā)性有機化合物對人體有害，并導(dǎo)致環(huán)境惡化。脂肪族化合物在活性炭上的吸附研究可以從相互作用所涉及的能量變化中進行，能量值可以從等溫線或浸入式焓確定。

　　作為多孔材料，活性炭具有高表面積和孔體積，這使其成為氣體和液體過程中的良好吸附劑，另一個優(yōu)點是其制造的多功能性，即根據(jù)特定應(yīng)用中建立的要求改變其多孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)的可能性。由于活性炭表面的惰性，在室溫下對諸如氮或氧的低分子量分子或諸如水的極性分子的親和力非常低。這種性質(zhì)使其對一定體積和分子量的非極性分子(例如烴類)具有高親和力。這種親和力差異使得活性炭在進行氣相分離或純化時是合適的吸附劑。

　　在本期內(nèi)容中，確定了具有不同表面物理化學(xué)性質(zhì)的活性炭上的己烷吸附等溫線，并計算了固體在己烷和水中浸漬的焓。這樣做是為了確定通過吸附N 2和己烷的等溫線獲得的微孔體積和表面積值之間的差異，并建立浸漬焓，活性炭的表面積和由己烷的吸附等溫線和改性固體在己烷中的浸漬量熱法得到的特征吸附能。五種活性炭分別為：活性炭，活性炭A用HNO 3溶液氧化，活性炭B在N 2氣體下在400℃下熱處理2小時，活性炭C在N 2氣體下在750℃下熱處理2小時，活性炭D在N 2氣體下在900℃下熱處理2小時。

　　溶劑中活性炭浸泡的焓

　　將活性炭浸入己烷和水中以確定浸漬焓并量化固體的疏水/親水特性。為了確定浸漬焓，將10mL溶劑置于組裝到量熱計的主儲熱器的不銹鋼電池中。然后，稱取100mg每種活性炭并將其置于裝配到為此目的設(shè)計的量熱計單元的玻璃小瓶中。接下來，將系統(tǒng)靜置約1小時，直至量熱組件的溫度穩(wěn)定或或者使量熱計穩(wěn)定所需的時間。之后，進行樣品浸入液體中，記錄所得的熱變化直至再次達到基線。

　　活性炭物理化學(xué)特性與己烷氣相吸附等溫線的關(guān)系

　　表面積值隨著對活性炭進行的熱處理而成比例地增加。然而，微孔體積值非常相似，這可能是由于兩個過程，氧化和隨后的熱處理：第一個是由于氧化導(dǎo)致的微孔率降低和隨后由于溫度升高而增加，產(chǎn)生相反的效果。如果發(fā)生這種情況，將獲得與起始活性炭類似的微孔率值。第二是超微孔的擴大，這將導(dǎo)致更大的中孔隙。這會增加表面積，但不會顯著增加微孔的體積。此外，較高的中孔率可能是由于更多的氧官能團產(chǎn)生更多的活性吸附位。

　　圖1顯示了本研究的五種活性炭在-10℃下的己烷吸附等溫線。吸附的己烷的最高毫摩爾值是暴露于熱活化的活性炭，并且當(dāng)活化溫度增加時這些量增加。吸附數(shù)據(jù)在范圍內(nèi)具有不確定性，這使得可以區(qū)分相同等溫線中的吸附值，并且顯示所研究的活性炭的吸附差異。例如，對于相對壓力大于0.7的活性炭，每個點的吸附值是不同的，盡管這些值是低值。

　　圖1：己烷在五種活性炭上的吸附等溫線。

　　活性炭物理化學(xué)特性與浸沒焓的關(guān)系

　　圖2顯示了將活性炭浸入己烷中獲得的作為時間函數(shù)的電勢圖。這些數(shù)據(jù)允許人們計算浸入的焓。固體的浸漬也在水中進行。來自量熱測定的值一式三份進行。基于浸入己烷和水中的焓，相對于己烷計算固體的疏水因子。

　　圖2：將活性炭浸入己烷中的量熱曲線。

　　作為時間函數(shù)的電位曲線下峰的面積與固液接觸中產(chǎn)生的熱量成比例。觀察到在己烷浸漬中具有最高峰的活性炭是在900℃下熱處理并且在表面具有最低氧化基團含量的活性炭，表明表面上氧化基團的減少增加了焓。將固體浸入脂肪族溶劑中。浸沒產(chǎn)生的效果增加了熱傳感器的潛力，表明該過程是放熱的并且涉及所研究的固液系統(tǒng)的組分之間的相互作用。活性炭在水中浸漬的焓值也是放熱的，但對于經(jīng)過熱處理的固體的量值較小，對于活性炭和炭A，浸入水中的焓值高于己烷中的值。固體浸入液體中產(chǎn)生分散相互作用(固液接觸)的焓與固體的表面積成正比。活性炭的表面積與在己烷中浸漬的焓之間的關(guān)系如圖3所示。

　　圖3：作為表面積的函數(shù)，活性炭在己烷中的浸入焓。

　　存在兩個參數(shù)之間的比例，因為存在可用于分子進入的更大空間，這在吸附物和多孔結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生更大的相互作用。具有更高比表面積和更大相互作用的活性炭是炭D，由于吸附物和碳質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的親和力，由于選擇性除去含氧基團而產(chǎn)生更高的表面積并產(chǎn)生更高的浸入焓值。活性炭A具有最低的表面積值和較低的焓相互作用，因為表面氧化基團降低了活性炭的可用空間以進入己烷，并且由于其極性特征而產(chǎn)生與分子的較少相互作用。

　　己烷吸附等溫線的一系列活性炭的確定和在己烷中的這些浸沒的焓使我們能夠確定兩個高能參數(shù)-吸附的特征能量，計算N 2和己烷吸附的微孔體積值。己烷吸附的微孔體積值較低，因為它具有較大的分子尺寸。觀察到活性炭表面的疏水特性有利于與己烷的相互作用。

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