活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭掺入复合材料吸附乙醇蒸气

　　夏日炎炎由供冷供热需求引起的用电量大幅上涨，为了节能减排新的节能技术尤为重要。吸附热泵在活性炭吸附剂吸附解吸和吸附质蒸发冷凝过程中，利用吸附床代替压缩机来达到制冷和制热的目的。它克服了机械压缩系统和液-汽吸收系统的局限性，具有能利用低级热量、无运动部件和具有良好储热性能的固体吸附剂等优点。在常用制冷剂中，乙醇蒸气具有水所不具有的低凝固点(-114℃)的特点，满足其在低温条件下的应用;与甲醇蒸气相比，乙醇蒸气无毒、生态相容，与各种材料相容，但其潜热比甲醇蒸气低30%。

　　在常见的吸附剂中，活性炭来源多，价格低廉，活性炭对制冷剂乙醇蒸气的吸附能力大，解吸温度和吸附热低。因此，有大量关于活性炭-乙醇蒸汽在吸附制冷中的应用。通过新型小型吸附式制冷机样机的设计、实施和测试，利用活性炭/乙醇蒸汽工作对空调和制冷条件下所能达到的热力学性能进行评估，并开展了实验活动确定市场上可用的好活性炭。当然也有好用的复合材料。尽管复合材料和活性炭都对乙醇蒸气具有良好的吸附性能，但目前尚无研究将其制成活性炭复合吸附材料并将其应用于乙醇蒸气吸附。我们这次使用了很多种不同比例的添加掺入活性炭和复合材料，从而进行材料对乙醇蒸汽的吸附研究。

　　活性炭掺入复合材料的合成

　　这次研究的复合材料是通过水热法合成的。具体合成过程如下：首先将12克硝酸铬(III)九水合物、1,4-苯二甲酸和144毫升蒸馏水放入三口烧瓶中，加热搅拌三口烧瓶在油中30分钟使其混合均匀。然后将混合物转移到衬有聚四氟乙烯的高压釜中，向混合物中加入1.5mL氢氟酸。然后将混合物在油中加热8小时。反应结束后，取出反应器，冷却至室温。我们将粗产物(没有不完全反应的对苯二甲酸晶体)和N,N-二甲基甲酰胺加热并搅拌1小时。最后，将所得混合物过滤;将滤液离心，并依次用氟化铵、水、乙醇蒸气洗涤。离心得到的产物在下真空干燥12小时。通过添加不同含量的活性炭，得到两种复合材料：5%活性炭复合材料和10%活性炭复合材料。

　　图1：三个样品成品。

　　扫描电镜分析

　　合成样品的SEM图像如图2示。复合材料晶体明显呈现规则的八面体结构，5%活性炭掺入和10%活性炭掺入与复合材料晶体结构相同，类似于八面体立面结构，但复合晶体表面呈现一定的缺陷。

　　图2：(a)复合材料的SEM图像，(b)掺入5%活性炭和(c)10%活性炭的样品。

　　乙醇蒸气吸附等温线

　　吸附等温线可用于分析在特定吸附温度下吸附剂与制冷剂之间的平衡吸附容量和相互作用。对于吸附制冷，吸附材料的吸附性能应在中低相对压力范围内表现出快速吸附的特性。对于以乙醇蒸汽为制冷剂的吸附式制冷系统，探索活性炭在0.05-0.4相对压力下的吸附性能是非常必要的。

　　图3复合材料和活性炭对乙醇蒸气吸附等温线，从图中可以看出三种材料的乙醇蒸气吸附等温线均呈现“I型”吸附等温线。吸附剂的主要吸附区间在0-0.4的相对压力下。此外，当相对压力为0-0.05时，三种材料均表现出快速吸附能力。这种现象可归因于不饱和金属位点的配位。当相对压力为0.05时，活性炭复合材料对乙醇蒸气的吸附能力分别为约0.4g/g、0.25g/g、0.22g/g。当相对压力为0.4时，活性炭复合材料对乙醇蒸气的吸附能力分别为约0.9g/g、0.62g/g、0.55g/g。5%活性炭掺入对乙醇蒸气的饱和吸附容量约为0.7g/g，乙醇蒸气的10%活性炭掺入约为0.61g/g。本研究制备的复合材料的乙醇蒸气饱和吸附容量稍低，是由加热速率、净化、压力等引起的。与纯样品复合材料相比，5%活性炭掺入的饱和吸附量降低了28%，10%活性炭掺入的饱和吸附量降低了37%。结果表明，活性炭的掺入能更好地用于制冰和冷藏条件。

　　图3：复合材料和活性炭的掺入在30℃乙醇蒸气的吸附等温线。

　　活性炭吸附乙醇蒸气的究采用水热法成功制备了复合材料，5%活性炭和10%活性炭。对材料进行了深度分析并探讨了样品对乙醇蒸气的吸附性能。

　　(1)活性炭的加入对复合材料的骨架晶体结构没有影响。

　　(2)SEM结果表明，三种样品具有相似的规则八面体结构，但活性炭的加入会导致活性炭掺复合材料晶体表面出现一定缺陷。

　　(3)与复合材料相比，活性炭的掺入使热稳定性有所提高。

　　(4)氮吸附和解吸等温线结果表明复合材料的比表面积和孔体积显着增加，三个样品具有两种不同的笼状结构。活性炭的加入有利于中孔的打开。

　　(5)当相对压力P/P0≤0.4时，三个样品均表现出对乙醇蒸气的快速吸附。虽然复合材料的乙醇蒸气吸附能力下降，但活性炭的掺入表现出更均匀的吸附速率。这说明了活性炭复合材料在吸附式制冷系统中的应用前景。

　　我们这次研究的活性炭复合材料，为今后乙醇蒸汽工质在吸附制冷中的应用提供了参考，如果有任何技术问题都可以咨询我们了解的。

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