活性炭和純碳粉的熱分析曲線

• 來源：廣東冠森炭業(yè)科技有限公司q 更新時間：2021-05-18點擊：2089次

• 　　活性炭和純碳粉的熱分析曲線，文摘：為了研究活性炭的熱解作用對孔隙結(jié)構(gòu)的影響，選用以無煙煤為原料，水蒸氣活化法制備的煤基柱狀活性炭為樣品，采用恒溫氮吸附脫附、掃描電鏡、熱重-紅外光譜等手段對其表面微觀結(jié)構(gòu)、形貌特征及化學性質(zhì)進行了分析。

  　　結(jié)果表明：活性炭孔徑主要是微孔，占孔徑的95.45%，孔徑分布在4nm以內(nèi);采用30K/min的升溫速率，將活性炭和炭粉的熱紅外曲線進行對比，排除了炭體本身熱解作用的影響，并通過活性炭自身的官能團在不同溫度下熱解所釋放的氣體，間接地得到了表面官能團的羧基、羰基、羥基、醚鍵等，在800℃條件下，活性炭內(nèi)的碳元素與熱解所產(chǎn)生的氣體發(fā)生反應，從而改變其孔結(jié)構(gòu)?；钚蕴繜峤馇昂蟮馀c亞甲藍值的變化表明，高溫熱解會使孔隙率增大，微孔減小，中孔數(shù)略有上升，而熱再生溫度不應超過1000℃。

  　　活性炭的熱解作用于物理孔。

  　　緒論。

  　　其結(jié)構(gòu)復雜，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，不同于金剛石的碳原子規(guī)律性排列，其微晶炭的無規(guī)則排列與石墨的結(jié)晶相類似。其化學穩(wěn)定性高，機械強度好，吸附飽和后再生能循環(huán)利用，在凈化氣液兩相、脫色處理、溶劑回收、電容器電極材料等領(lǐng)域均有廣泛應用。

  　　國內(nèi)活性炭的年產(chǎn)量在60萬噸左右，用于水處理的領(lǐng)域在50%以上，主要是用來去除水中的有機污染物，這些有機吸附質(zhì)所含的官能團種類不同，而活性炭表面的官能團會影響其吸附性能?；钚蕴课讲煌N類有機物質(zhì)的機理不同。在特定溫度下，不同的官能團產(chǎn)生相應的氣體，用熱重紅外測定活性炭官能團的種類是可行的，用Cu2O對酸化處理后的活性炭進行熱重分析發(fā)現(xiàn)，在500~700℃，含炭氧官能團物質(zhì)的熱解失重是主要原因。

  

  　　活性炭制備過程中，熱解溫度的變化對孔結(jié)構(gòu)有一定的影響，熱解過程中氣體氣氛對孔結(jié)構(gòu)有一定的影響，高O2含量和水蒸汽會破壞活性炭的微孔結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：不同原料制備的活性炭在熱解前后大孔數(shù)發(fā)生了變化，不同原料的熱解敏感性也不同。活性炭經(jīng)TGA分析后要求高溫處理，但高溫處理會引起孔結(jié)構(gòu)收縮坍塌，引起孔結(jié)構(gòu)變化。活性炭熱解后，酚醛樹脂的微孔數(shù)量基本不變，中孔數(shù)量減少，酚醛樹脂主要粘附于中孔的內(nèi)壁，而對微孔無影響?；钚蕴繜峤廨d苯酚時，吸附性能并不能得到較好的恢復，部分難裂解的苯酚殘渣粘附到活性炭的孔隙中，導致孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

  　　活化炭熱解孔隙變化的原因不同，中孔和微孔量的變化規(guī)律不同。通過對煤基活性炭物理孔隙的表征，并利用熱重紅外技術(shù)對熱解過程中物質(zhì)產(chǎn)物進行分析，探討了熱解前后活性炭孔隙結(jié)構(gòu)的變化，并通過活性炭吸附實驗進一步探討了活性炭熱解過程中物質(zhì)產(chǎn)物與溫度的關(guān)系。

  　　一是材料和方法。

  　　1.1.樣品準備。

  　　選用波濤型活性炭生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的煤基柱狀活性炭，采用水蒸汽活化法，元素分析見表1。碳化和活化對氣孔結(jié)構(gòu)有重要影響，碳化是將物料隔絕空氣加熱，物理反應包括干燥、脫水和脫氣，化學反應包括有機物的化學鍵斷裂，把氫和氧元素排出，形成柱狀活性炭的初級孔，而活化則是通過水蒸氣和碳的反應，使氣孔釋放出來，產(chǎn)生新的氣孔。本研究以活性炭為原料，通過碳粉和柱狀活性炭的對比分析，深入探討了活性炭在熱解過程中原料對產(chǎn)物的影響，選擇純度99.93%的純度15000目。

  　　表格1NAC元素的分布。

  　　比例元素。

  　　COAlSi)。

  　　品質(zhì)百分比/%95.38,4.620。

  　　2.樣品的表征方法。

  　　氮氣吸附實驗用柱狀活性炭孔隙表征的自動吸附器。相對壓力P/PO(P為平衡壓力，PO為飽和壓力)在10-7~1K之間，柱狀活性炭對高純N2的吸附效果較好。將樣品放置于100℃真空脫氣1h后再進行試驗。用BrunaureEmmett-Teller,BET,BET計算比表面積;用Dubinin-Radushkevitvh,DR,DFT,DensityFunctionalTheory,DFT,DFT，計算孔徑分布，用BET,BET,BET,BET,BET計算比表面積。用SEM對不同放大倍數(shù)的柱狀活性炭試樣進行表面形貌分析，結(jié)果見圖1。如圖1所示：圓柱形活性炭表面比較光滑，附著于表面的碎屑較少，物理孔較為發(fā)達。

  　　活性炭的熱解作用于物理孔。

  　　1.3.熱重紅外線聯(lián)合試驗。

  　　將活性炭樣品20mg左右放置于熱天平上坩堝內(nèi)，經(jīng)高純N2通入樣品，從40℃至目標溫度1200℃之間加熱至30K/min，加熱速率為30K/min。熱重儀記錄樣品失重情況，加熱過程產(chǎn)生的氣體通過傳送管從高純N2吹掃到分光光度計樣品檢測器的樣品檢測器，傳送管的溫度設(shè)為200℃，紅外光譜氣體的溫度設(shè)為200℃。

  　　1.4.吸附測試。

  　　根據(jù)國家標準測定了柱狀活性炭與裂解柱狀活性炭的碘與亞甲藍值，并對已知濃度的苯酚溶液的對應吸光度進行擬合曲線方程為Y=0.02+0.0156X。用圓柱狀活性炭吸附已知濃度的苯酚溶液，并用擬合的方程式來計算苯酚余液的濃度，從而確定苯酚的吸附值，從而確定苯酚的吸附量。在120℃干燥4h后，將兩種類型樣品分別置入150ml、100mg/l的酚水溶液中，在25℃下，測定其恒溫吸附時間分別為30min、60min、90min、120min、150min和180min。

  　　二是結(jié)果與分析。

  　　3。3?；钚蕴繉2等溫吸附及其物理性質(zhì)的分析。

  　　圓柱形活性炭的吸附性能主要體現(xiàn)在其微孔上，微孔上采用N2等溫吸附-脫附曲線進行測試，結(jié)果見圖2，圓柱形活性炭在國際純化和應用化學聯(lián)合會分類中屬于典型的I型吸附等溫線。當P/PO壓力初升時，吸附量較大，呈急劇上升趨勢;當P/PO壓力大于0.05時，吸附量隨壓力的增大而逐漸增大，然后在P/PO快升至1.0時呈緩慢上升趨勢，直至平衡。可以看出，圖2中重脫附曲線與吸附曲線存在著差異，并出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象，說明柱狀活性炭中仍有少量中孔。

  　　相關(guān)人士指出：活性炭對單分子層的吸附是在低氣壓階段進行的，這一階段可以計算出活性炭的比表面積;單分子層吸附結(jié)束后是微孔填充物，并映射到圖2吸附等溫線上，這一階段一直持續(xù)到吸附等溫線達到平衡時結(jié)束，吸附等溫線最后緩慢上升屬于毛細凝聚現(xiàn)象。采用BET法，通過低溫氮氣吸附，計算得到了柱狀活性炭的比表面積值為894.96m2/g。利用Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法，利用等溫吸附曲線，利用Polanyi吸附勢能理論DR方程，對柱狀活性炭的微孔體積進行了解析計算，得到了柱狀活性炭的微孔體積與微孔體積的比值為0.44cm3/g與0.42cm3/g，微孔占有率為95.45%。采用DFT方法求解N2等溫吸附曲線，得到了孔徑分布如圖3所示，其中柱狀活性炭孔徑主要分布在4nm以內(nèi)，4nm以上孔隙占很小?；钚蕴恐鶢羁讖阶钚≈禐?nm，中孔徑最小值為3nm，表明其孔徑主要為一級孔徑;

  　　活性炭的熱解作用于物理孔。

  　　活性炭的熱解作用于物理孔。

  　　2活化炭的裂解特性分析。

  　　圖4中顯示了活性炭和純碳粉的熱分析曲線。如圖4所示：純碳粉的質(zhì)量損失極小，失重為1.39%，熱重曲線平穩(wěn)，微商熱重曲線沒有出現(xiàn)峰值，純碳粉的質(zhì)量損失極小是由于自身有一定量的有機物，在高溫下熱解揮發(fā)。純碳粉末沒有活性炭那樣復雜的孔隙結(jié)構(gòu)，但與外界接觸后，其表面會粘附有機物質(zhì)，加熱時會出現(xiàn)輕微失重。圓柱形活性炭的失重也較小，為4.26%，這主要是由于活性炭殘余的水分、官能團和少量的吸附物分解炭化所致。圓柱形活性炭在貯存過程中會吸收空氣中的一些水分，前期經(jīng)過105℃干燥，該溫度下的水分無法掙脫范德華力揮發(fā)，200℃時羧基熱解放出CO2，到400℃左右裂解產(chǎn)生CO。結(jié)果表明，柱狀活性炭的DTG在230℃時波動較小。與熱重碳粉(ThermalGravityAnalysis,TG)和DTG曲線相比，失重差在600℃以后更加明顯，因為柱狀活性炭吸附空氣中的少量有機物質(zhì)，并具有官能團，因此在600℃以后開始熱解，使柱狀活性炭的失重速率比純碳粉要大得多。羰基和醚鍵在700℃以上與CO2反應釋放出CO，溫度繼續(xù)升高，碳單質(zhì)呈現(xiàn)還原性，在935℃時與熱解生成的CO2和H2O反應生成CO，形成一個最大的失重峰。以煤焦油為粘合劑制備柱狀活性炭，發(fā)現(xiàn)其含有脂肪、芳香族化合物和焦油極性物質(zhì)，在935℃時出現(xiàn)峰值，與活性炭粘合劑煤焦油有關(guān)。

  　　活性炭的熱解作用于物理孔。

  　　炭粉與柱狀活性炭的差熱(DifferentialScanningCalorimeter,DSC)曲線相似，在100~200℃時，由于水分揮發(fā)，產(chǎn)生小的吸熱峰?；钚蕴康慕捣∮谔糠鄣慕捣@一階段活性炭發(fā)生官能團熱解，釋放熱量。炭粉的DSC在500℃后有一交點出現(xiàn)，并迅速上升，而柱狀活性炭和炭粉的DSC在1000℃后逐漸平緩。

  　　圖5中顯示了升溫范圍內(nèi)柱狀活性炭和純碳粉的各個波數(shù)的紅外光譜峰值曲線。純碳粉在CO(2250~2000cm-1)和CO2(2400~2250cm-1)處的吸光度較低，表明在熱解過程中CO和CO2不會產(chǎn)生，其中對于較大的吸光度在4000~3500cm-1,2000~1250cm-1處，對應于較大的吸光度，表明在碳粉上有少量有機物存在，其中4000~3500cm-1為水的0—H振蕩;純碳粉中C=O,C=C,C-O和C-C伸縮振蕩，碳粉中的有機物主要來自與外界接觸，因此含量較低，自由水分較少。