活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　分析現代建筑的發展方向，我們越來越尋求開發具有更好的隔熱和保溫性能的新材料。本文介紹了活性炭作為相變材料(PCM)載體的新應用，可將其用作建筑材料的添加劑。研究預期將相變材料代替空氣載入活性炭中會提高其機械強度，尤其是壓力和硬度。在這種情況下，取決于相變材料的類型，強度甚至可能超過活性炭本身的強度。

　　相變材料載體研究的是尋找具有高孔隙率和環境友好性的材料。這些新穎的材料之一是活性炭，通過活化和增加的吸收能力，活性炭具有作為出色的PCM載體的潛力。另一個優勢是可以通過農業廢料進行炭化生產成本好控制。PCM的數量(相對于建筑材料的總重量)決定了建筑物內溫度穩定的效果。PCM中共享生物碳酸鹽的工作應該高5至7倍，這代表了熱力學效果的充分提高或減少了添加到建筑材料(石膏，水泥，砂漿等)中的改性PCM碳酸鹽的量。

　　后熱解活性炭的制備

　　需要生物質來獲得作為PCM載體的活性炭，可以從各種來源獲得炭。從生態和經濟角度來看，這應該是旨在處置的廢物生物質。原材料在105°C下干燥12小時，然后用刀磨機(3毫米目直徑)研磨。在沒有惰性氣流的情況下，將約100 g顆粒進行熱解90分鐘。在鋼反應器中，在800°C的溫度下，出口管置于馬弗爐中。熱解后的固體回收率為初始質量的25%。混合幾批后，測定從中獲得的炭的元素分析以及基本性能測試。元素分析顯示元素碳增加(相對于原始生物質)，而氫，氧和硫的含量均下降，這表明揮發性化合物的釋放。元素碳含量高的活性炭前體能夠得到充分活化。

　　材料熱力學研究

　　從熱力學觀點來看，可以將活性炭用作PCM載體，并且基于活化炭的方法還表明了有益的生物質類型。但是，決定在實驗室規模進行測試以確認這些DSC結果，然后再使用實際建筑材料在技術規模上執行測試。為此目的，我們建立了一個測量站(圖1)，使用熱動力學研究活性炭制成的涂層的加熱和冷卻時間，活性炭是從多種果殼中的熱解中獲得的。

　　圖1：用紅外輻射測量被測涂層的加熱和冷卻時間。(a)測量站的示意圖，(b)反射鏡和支架的視圖，(c)不帶涂層和帶涂層的溫度傳感器。

　　從相同的活性炭中合成了五種不同的涂層。對應于樣品I和II的涂層包含未活化的炭。樣品I為參考樣品，不含PCM，樣品II為參比樣品。其余樣本均包含PCM。活性炭的活化方式，如下所示：樣品III-含CO 2(持續1小時)，樣品IV-含CO 2(持續2小時)和樣品V-含KOH。涂層編號對應于圖2，圖3和圖4中的樣品編號。

　　圖2：使用太陽能照明模擬器-SI測試涂層。該圖顯示了五種活性炭樣品分別進行0.5 h和1 h的加熱和冷卻步驟的結果。

　　圖3：該圖顯示了五種活性炭樣品在1小時內的加熱和冷卻過程的結果。

　　圖4：五種活性炭樣品的自然加熱結果。

　　所有涂層均以相同方式進行。將相同量的活性炭(0.2 g)和不同量的相變材料(取決于活化類型)在研缽中用一滴皂苷和七滴液態PVA(聚乙烯醇)膠研磨。獲得均勻的半液體物質后，將其應用于溫度傳感器，并放置在不銹鋼蓋(直徑5毫米，長30毫米)中。涂層干燥后，按照圖1所示的方法將樣品附著在兩個板條(250 mm×30 mm×10 mm)之間，并進行兩次測試。第一個步驟包括在恒溫室內用太陽能模擬器(特殊反射器形式的紅外輻射器)加熱(0.5–1.0 h)樣品，然后在關閉輻射器后將其冷卻(1.0 h)(圖2和圖3)。在第二步中，在恒溫室中多次測量了先前在冰箱中冷卻過的樣品的加熱時間和溫度(圖1)。基于這些結果，在加熱和冷卻期間，將每個樣品的溫度確定為時間的函數。圖1顯示了測試臺的整體圖。

　　結果分析

　　在分析曲線如圖2，圖3和圖4中，并收集結果，在一個溫度(22℃)中選擇，清楚地表明不同相變材料的影響活性炭中的量上的周期時間長度與發生個體樣品中的熱交換過程。相對于溫度傳感器的更高的質量和熱容量，即使吸附的相變材料的量很小，也可以看到處理時間的差異。當與參比樣品(I)，沒有相變材料，總的冷卻和加熱時間的所有樣品與相變材料的不同水平長。對于樣品V，此時間延長了7.5%，對于樣品IV，延長了5.2%，對于III，延長了2.4%，對于樣品II(未活化的活性炭)，僅延長了0.2%。

　　這項研究的新穎之處在于研究和測試了活性炭為相變材料的載體。由于其發達的表面和高吸收能力，活性炭永久性地吸附一定量的相變材料，從而有可能獲得相對于相變材料高達50%的更大的熱容量，并且由于范德華力，相變材料即使在液態情況下也不會解吸。還可以防止物體表面和內部的局部過熱。過熱會導致軟化，流動，熱變形以及由于氧化，干燥或破裂而降解;所有這些都可能導致物質損壞以及由其構成的物體。研究證明，與商業產品相比，這種有活性炭摻入的建筑材料將更加便宜，同樣好效果，并且可以用于生產石膏板，灰泥，熨平板等。

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