活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭孔隙對丁烷工作容量的影響

　　近年來，環境法規日益加強，為了滿足這一要求，需要具有更好孔隙特性的活性炭。活性炭已應用于蒸發排放控制系統罐中，以減少未燃燒的碳氫化合物。當停車或給車輛加油時，蒸發的氣體主要在車輛的油箱中產生。蒸發后的氣體被吸附在濾罐的活性炭上，行駛時，吸附的氣體從活性炭中清除并在發動機中燃燒。我們使用磷酸活化制備了具有優異孔隙特性的用于汽車蒸發系統的活性炭。通過觀察微觀結構和孔隙結構分析，研究了磷酸活化條件對孔隙特性的影響。此外，通過結構特性與丁烷工作能力之間的相關分析，來了解碳罐性能需要的活性炭孔結構。

　　活性炭的吸附等溫線和質構性質

　　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型變為II型。活性炭-400的等溫吸附曲線屬于IUPAC分類的I型。活性炭-400的吸附曲線僅在相對壓力(P/P0)為0.05或更小時才觀察到。這些結果由活性炭的孔壁和吸附劑(N2)之間強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。在相對壓力(P/P0)為0.05或更低的條件下以及在相對壓力(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，而且在發達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的相對壓力(P/P0)都具有幾乎相似的吸附行為。因此，無論激活溫度如何，所有活性炭都具有相似的微孔結構。眾所周知，磷酸的活化機理會導致無定形聚合物(半纖維素和木質素)的活化在400攝氏度或更低的溫度下產生大部分微孔，而結晶纖維素的活化則在150攝氏度的溫度下產生孔徑混合的物質。換句話說，可以確定微孔是由無定形聚合物脫水直至活性炭-400所產生的，而中孔是在活性炭-500至活性炭-800中通過磷酸鍵的分解而產生的。

　　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)對數。

　　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標準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孔和狹縫狀的細孔。活性炭在活化開始時會形成狹縫狀的細孔，但隨著活化溫度的升高，它會變成狹縫狀的細孔。磷酸活化機制是通過各種化學反應實現的，例如磷酸酯鍵的分解，渦輪層堆積和晶體氧化，并且已知根據活化溫度而具有不同的反應速率。

　　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。通過活性炭在正丁烷上的吸附和解吸行為來分析丁烷工作容量。分別通過解吸后的吸附率和殘留率來計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攝氏度時升高至22.2–52.8%，然后在800攝氏度時降低至48.8%。丁烷工作容量是反映兩種丁烷的指數活動和保持力。因此，活性炭-700被認為具有很好的丁烷工作容量性能，因為它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。研究了各種穩定化和活化溫度對活性炭孔結構的影響。可以根據磷酸活化條件任意地控制組織性質(比表​​面積和中孔體積分數)。活性炭的丁烷工作容量與亞中孔體積密切相關。還可以推斷，中孔體積分數分別在2.8–3.8nm和5.0–7.0nm范圍內分別控制正丁烷的吸附和解吸。針對車輛的污染物排放，具有優異的丁烷工作能力(高丁烷活性和低保持力)的蒸發排放控制系統需要有效的吸附劑。證實活性炭具有出色的比表面積和中孔體積分數，因此擁有更好的丁烷工作容量。

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