活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭是吸附剂固体，根据表面上的含氧基团含量，可以产生不同程度的疏水性。这种性质有利于吸附可能存在于大气中的低分子量有机化合物(脂肪族)，降低其污染水平。近年来，这种化合物被称为挥发性有机化合物(VOC)并且在室温下显示出高蒸气压，这使得它们在溢出或泄漏的情况下容易到达空气中。挥发性有机化合物对人体有害，并导致环境恶化。脂肪族化合物在活性炭上的吸附研究可以从相互作用所涉及的能量变化中进行，能量值可以从等温线或浸入式焓确定。

　　作为多孔材料，活性炭具有高表面积和孔体积，这使其成为气体和液体过程中的良好吸附剂，另一个优点是其制造的多功能性，即根据特定应用中建立的要求改变其多孔结构和表面化学的可能性。由于活性炭表面的惰性，在室温下对诸如氮或氧的低分子量分子或诸如水的极性分子的亲和力非常低。这种性质使其对一定体积和分子量的非极性分子(例如烃类)具有高亲和力。这种亲和力差异使得活性炭在进行气相分离或纯化时是合适的吸附剂。

　　在本期内容中，确定了具有不同表面物理化学性质的活性炭上的己烷吸附等温线，并计算了固体在己烷和水中浸渍的焓。这样做是为了确定通过吸附N 2和己烷的等温线获得的微孔体积和表面积值之间的差异，并建立浸渍焓，活性炭的表面积和由己烷的吸附等温线和改性固体在己烷中的浸渍量热法得到的特征吸附能。五种活性炭分别为：活性炭，活性炭A用HNO 3溶液氧化，活性炭B在N 2气体下在400℃下热处理2小时，活性炭C在N 2气体下在750℃下热处理2小时，活性炭D在N 2气体下在900℃下热处理2小时。

　　溶剂中活性炭浸泡的焓

　　将活性炭浸入己烷和水中以确定浸渍焓并量化固体的疏水/亲水特性。为了确定浸渍焓，将10mL溶剂置于组装到量热计的主储热器的不锈钢电池中。然后，称取100mg每种活性炭并将其置于装配到为此目的设计的量热计单元的玻璃小瓶中。接下来，将系统静置约1小时，直至量热组件的温度稳定或或者使量热计稳定所需的时间。之后，进行样品浸入液体中，记录所得的热变化直至再次达到基线。

　　活性炭物理化学特性与己烷气相吸附等温线的关系

　　表面积值随着对活性炭进行的热处理而成比例地增加。然而，微孔体积值非常相似，这可能是由于两个过程，氧化和随后的热处理：第一个是由于氧化导致的微孔率降低和随后由于温度升高而增加，产生相反的效果。如果发生这种情况，将获得与起始活性炭类似的微孔率值。第二是超微孔的扩大，这将导致更大的中孔隙。这会增加表面积，但不会显着增加微孔的体积。此外，较高的中孔率可能是由于更多的氧官能团产生更多的活性吸附位。

　　图1显示了本研究的五种活性炭在-10℃下的己烷吸附等温线。吸附的己烷的最高毫摩尔值是暴露于热活化的活性炭，并且当活化温度增加时这些量增加。吸附数据在范围内具有不确定性，这使得可以区分相同等温线中的吸附值，并且显示所研究的活性炭的吸附差异。例如，对于相对压力大于0.7的活性炭，每个点的吸附值是不同的，尽管这些值是低值。

　　图1：己烷在五种活性炭上的吸附等温线。

　　活性炭物理化学特性与浸没焓的关系

　　图2显示了将活性炭浸入己烷中获得的作为时间函数的电势图。这些数据允许人们计算浸入的焓。固体的浸渍也在水中进行。来自量热测定的值一式三份进行。基于浸入己烷和水中的焓，相对于己烷计算固体的疏水因子。

　　图2：将活性炭浸入己烷中的量热曲线。

　　作为时间函数的电位曲线下峰的面积与固液接触中产生的热量成比例。观察到在己烷浸渍中具有最高峰的活性炭是在900℃下热处理并且在表面具有最低氧化基团含量的活性炭，表明表面上氧化基团的减少增加了焓。将固体浸入脂肪族溶剂中。浸没产生的效果增加了热传感器的潜力，表明该过程是放热的并且涉及所研究的固液系统的组分之间的相互作用。活性炭在水中浸渍的焓值也是放热的，但对于经过热处理的固体的量值较小，对于活性炭和炭A，浸入水中的焓值高于己烷中的值。固体浸入液体中产生分散相互作用(固液接触)的焓与固体的表面积成正比。活性炭的表面积与在己烷中浸渍的焓之间的关系如图3所示。

　　图3：作为表面积的函数，活性炭在己烷中的浸入焓。

　　存在两个参数之间的比例，因为存在可用于分子进入的更大空间，这在吸附物和多孔结构之间产生更大的相互作用。具有更高比表面积和更大相互作用的活性炭是炭D，由于吸附物和碳质结构之间的亲和力，由于选择性除去含氧基团而产生更高的表面积并产生更高的浸入焓值。活性炭A具有最低的表面积值和较低的焓相互作用，因为表面氧化基团降低了活性炭的可用空间以进入己烷，并且由于其极性特征而产生与分子的较少相互作用。

　　己烷吸附等温线的一系列活性炭的确定和在己烷中的这些浸没的焓使我们能够确定两个高能参数-吸附的特征能量，计算N 2和己烷吸附的微孔体积值。己烷吸附的微孔体积值较低，因为它具有较大的分子尺寸。观察到活性炭表面的疏水特性有利于与己烷的相互作用。

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