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　　活性炭用等溫線分析孔形成機(jī)制

　　活性炭通過(guò)原材料在KOH水溶液中的水熱碳化直接合成。通過(guò)調(diào)節(jié)溶液混合的KOH的量來(lái)改變活性炭的孔隙。再通過(guò)測(cè)量氣體吸附等溫線的孔隙率測(cè)定法提供了對(duì)固體孔隙通道性質(zhì)的深入了解，特別是在其他技術(shù)不適用于孔徑大小的無(wú)序狀材料上?；钚蕴繉?duì)于化學(xué)活化，雖然有多種致孔劑，但其中受歡迎的是堿金屬氫氧化物KOH和NaOH，因?yàn)樗鼈冇兄趯?duì)孔隙率進(jìn)行高度控制，對(duì)于KOH尤其如此。所以這次的研究是通過(guò)等溫線分析活性炭?jī)?nèi)孔隙的有些形成機(jī)制，為了以后能控制活性炭孔隙的形成方便定制生產(chǎn)。

　　炭合成

　　在使用和不使用致孔劑的情況下合成活性炭，但保持所有其他變量不變。一般情況下，這是通過(guò)在水熱碳化步驟中添加KOH來(lái)完成的。原材料在KOH水溶液中以5℃/分鐘-1的升溫速率在250和300℃下通過(guò)水熱碳化處理2小時(shí)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)中鋸末的濃度為0.32g/cm-3，而KOH原材料在每個(gè)熱液碳化溫度下從0.0、0.5到1.0變化。這產(chǎn)生了總共六種黑色漿料，它們?cè)谘趸X舟中在100℃下干燥，然后通過(guò)在氮?dú)庀略?00℃下加熱1小時(shí)(升溫速率3℃/分鐘-1)進(jìn)行活化并使其冷卻獲得成品活性炭。

　　活性炭的擴(kuò)散

　　在等溫線的測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)比較等溫點(diǎn)之間的時(shí)間t時(shí)，這種差異最為明顯，如圖1a所示。雖然活性炭的O2和N2等溫線以及活性炭的O2等溫線的t大致相似，但活性炭的N2等溫線在低相對(duì)壓力區(qū)的t高得多，單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)。這表明緩慢擴(kuò)散可能與N2與活性炭孔隙度的某些特征的相容性有關(guān)。同樣，當(dāng)比較其他炭的點(diǎn)之間所用的時(shí)間時(shí)在纖維素結(jié)構(gòu)中用增加量的Na合成的樣品(圖1b)很明顯，通過(guò)使用致孔劑擴(kuò)大孔隙率提高了N2擴(kuò)散到孔中的能力，并且這種改進(jìn)在某些時(shí)候會(huì)加速取代度介于0.7和0.9之間。

　　圖1：(a)O2和N2等溫線在活性炭上的相對(duì)壓力增加和(b)N2等溫線其他炭的點(diǎn)之間的時(shí)間。

　　雙擬合分析

　　活性炭和其他炭對(duì)O2/H2和N2/H2等溫線的雙重?cái)M合分別。如等溫線本身所示，使用O2/H2等溫線得出的活性炭(圖2(1P,2P)的PSD表明比使用N2/H2時(shí)具有更大的孔隙率，對(duì)于其他炭的PSDs也是如此。無(wú)論使用什么等溫線的子集，第一個(gè)大值的位置在所有派生的PSD中都是一致的，因?yàn)檫@主要來(lái)自H2等溫線。然而，關(guān)于第二個(gè)大值，活性炭和其他炭的兩組PSD提供的圖片略有不同。雖然N2/H2衍生的PSD顯示活性炭的孔徑只有很小的差異或確實(shí)有很小的減小，但O2/H2PSDs表明，當(dāng)KOH用作致孔劑時(shí)，孔隙度從超微孔擴(kuò)展到超微孔區(qū)域。此外，在第二個(gè)最大值中有一些PSD展寬的跡象。后一種敘述更符合目前對(duì)活性炭中孔形成的理解，因?yàn)樵跓峤膺^(guò)程中使用堿金屬氫氧化物致孔劑導(dǎo)致孔徑相對(duì)于通過(guò)生物質(zhì)氣化形成的孔尺寸增加(即，不添加致孔劑的熱解)。同樣，根據(jù)兩個(gè)等溫線對(duì)的同時(shí)擬合內(nèi)核，孔徑趨勢(shì)與致孔劑量的這種差異可能是N2等溫線的失敗，因?yàn)樵诜治銎陂g未充分探測(cè)超微孔。

　　圖2：擬合樣品活性炭的N2/H2(1a,1b,1c)和O2/H2(2a,2b,2c)等溫線和所得的PSD(1P,2P)。

　　三向擬合分析

　　為了進(jìn)一步了解O2/H2和N2/H2分析之間的差異，2D-NLDFT異質(zhì)表面核同時(shí)適合某些樣品的所有三個(gè)(O2、N2、H2)等溫線。特別是，這里的目的是根據(jù)每個(gè)活性炭的活化程度比較擬合質(zhì)量。在圖3中比較了活性炭0-300和活性炭1的擬合和PSD。當(dāng)使用對(duì)數(shù)相對(duì)壓力軸檢查擬合時(shí)圖3(1b,2b)，很明顯，活性炭0-300的擬合極差，特別是在低壓區(qū)域。雖然活性炭0-300的單獨(dú)O2/H2和N2/H2分析在等溫點(diǎn)低于P/Po=10-4時(shí)遇到問(wèn)題，這個(gè)低擬合質(zhì)量對(duì)于等溫線的整個(gè)低壓(即微孔)區(qū)域中的三向擬合非常顯著。

　　圖3：使用線性(1a,2a)和對(duì)數(shù)(1b)中的x軸同時(shí)擬合活性炭0-300(1a,1b)和活性炭1(2a,2b)的O2、N2和H2等溫線)尺度，以及從三向擬合(1c,2c)確定的PSD。

　　另一方面，活性炭1的三通配合要令人滿意得多。還值得注意的是，對(duì)于這兩個(gè)樣品，對(duì)H2等溫線的擬合總是很好，這表明不確定性是由于N2和O2等溫線而不是H2之間的分歧造成的。至于PSD，雖然活性炭1的峰位置與任一雙等溫線分析中看到的峰位置基本相同，但活性炭0-300的峰位置并不明顯?？偠灾?，雖然O2和N2之間的一致性適用于更高活化的樣品，但對(duì)于活化程度較低的所謂的其他炭樣品則不然。換言之，在探測(cè)超微孔時(shí)，O2和N2產(chǎn)生不同的PSD結(jié)果，這可歸因于N2擴(kuò)散到較小孔中的能力較差。隨著孔隙率擴(kuò)大到超微孔區(qū)域，可以通過(guò)任一吸附劑準(zhǔn)確測(cè)量孔隙。

　　活性炭用等溫線分析孔形成機(jī)制，比較了使用堿金屬活化的活性炭的孔隙率，這是通過(guò)兩種雙等溫線分析方法確定的，即使用吸附對(duì)N2/H2和O2/H2。我們得出結(jié)論，理論上，N2改進(jìn)的超微孔滲透可以通過(guò)允許系統(tǒng)在低壓下平衡更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者通過(guò)在更高溫度下測(cè)量等溫線來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，這些修改是不切實(shí)際的，因?yàn)樵诘谝环N情況下，等溫線測(cè)量的持續(xù)時(shí)間會(huì)過(guò)長(zhǎng)。此外，使用O2和H2可以更真實(shí)地描繪孔隙率隨著氧化化學(xué)活化程度的增加，因?yàn)榛钚蕴勘辉絹?lái)越多的致孔劑活化。也就是說(shuō)，隨著致孔劑/活性炭比率的增加，我們始終觀察到樣品的PSD變寬。隨著活化劑的量增加，觀察到孔寬度的收縮。由使用N2和H2導(dǎo)出的PSD給出的敘述不能通過(guò)目前對(duì)氧化化學(xué)活化過(guò)程中孔隙度發(fā)展機(jī)制的理解來(lái)解釋。致孔劑數(shù)量的增加對(duì)這些活性炭的細(xì)孔結(jié)構(gòu)的微妙影響只能通過(guò)本工作中使用的高靈敏度方法檢測(cè)到。這種敏感性意味著為材料選擇合適的吸附劑至關(guān)重要。當(dāng)試圖了解隨著活化劑量的增加而在活性炭中孔隙度的發(fā)展時(shí)，這個(gè)邏輯也應(yīng)該擴(kuò)展到吸附劑的使用。