活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　分析现代建筑的发展方向，我们越来越寻求开发具有更好的隔热和保温性能的新材料。本文介绍了活性炭作为相变材料(PCM)载体的新应用，可将其用作建筑材料的添加剂。研究预期将相变材料代替空气载入活性炭中会提高其机械强度，尤其是压力和硬度。在这种情况下，取决于相变材料的类型，强度甚至可能超过活性炭本身的强度。

　　相变材料载体研究的是寻找具有高孔隙率和环境友好性的材料。这些新颖的材料之一是活性炭，通过活化和增加的吸收能力，活性炭具有作为出色的PCM载体的潜力。另一个优势是可以通过农业废料进行炭化生产成本好控制。PCM的数量(相对于建筑材料的总重量)决定了建筑物内温度稳定的效果。PCM中共享生物碳酸盐的工作应该高5至7倍，这代表了热力学效果的充分提高或减少了添加到建筑材料(石膏，水泥，砂浆等)中的改性PCM碳酸盐的量。

　　后热解活性炭的制备

　　需要生物质来获得作为PCM载体的活性炭，可以从各种来源获得炭。从生态和经济角度来看，这应该是旨在处置的废物生物质。原材料在105°C下干燥12小时，然后用刀磨机(3毫米目直径)研磨。在没有惰性气流的情况下，将约100 g颗粒进行热解90分钟。在钢反应器中，在800°C的温度下，出口管置于马弗炉中。热解后的固体回收率为初始质量的25%。混合几批后，测定从中获得的炭的元素分析以及基本性能测试。元素分析显示元素碳增加(相对于原始生物质)，而氢，氧和硫的含量均下降，这表明挥发性化合物的释放。元素碳含量高的活性炭前体能够得到充分活化。

　　材料热力学研究

　　从热力学观点来看，可以将活性炭用作PCM载体，并且基于活化炭的方法还表明了有益的生物质类型。但是，决定在实验室规模进行测试以确认这些DSC结果，然后再使用实际建筑材料在技术规模上执行测试。为此目的，我们建立了一个测量站(图1)，使用热动力学研究活性炭制成的涂层的加热和冷却时间，活性炭是从多种果壳中的热解中获得的。

　　图1：用红外辐射测量被测涂层的加热和冷却时间。(a)测量站的示意图，(b)反射镜和支架的视图，(c)不带涂层和带涂层的温度传感器。

　　从相同的活性炭中合成了五种不同的涂层。对应于样品I和II的涂层包含未活化的炭。样品I为参考样品，不含PCM，样品II为参比样品。其余样本均包含PCM。活性炭的活化方式，如下所示：样品III-含CO 2(持续1小时)，样品IV-含CO 2(持续2小时)和样品V-含KOH。涂层编号对应于图2，图3和图4中的样品编号。

　　图2：使用太阳能照明模拟器-SI测试涂层。该图显示了五种活性炭样品分别进行0.5 h和1 h的加热和冷却步骤的结果。

　　图3：该图显示了五种活性炭样品在1小时内的加热和冷却过程的结果。

　　图4：五种活性炭样品的自然加热结果。

　　所有涂层均以相同方式进行。将相同量的活性炭(0.2 g)和不同量的相变材料(取决于活化类型)在研钵中用一滴皂苷和七滴液态PVA(聚乙烯醇)胶研磨。获得均匀的半液体物质后，将其应用于温度传感器，并放置在不锈钢盖(直径5毫米，长30毫米)中。涂层干燥后，按照图1所示的方法将样品附着在两个板条(250 mm×30 mm×10 mm)之间，并进行两次测试。第一个步骤包括在恒温室内用太阳能模拟器(特殊反射器形式的红外辐射器)加热(0.5–1.0 h)样品，然后在关闭辐射器后将其冷却(1.0 h)(图2和图3)。在第二步中，在恒温室中多次测量了先前在冰箱中冷却过的样品的加热时间和温度(图1)。基于这些结果，在加热和冷却期间，将每个样品的温度确定为时间的函数。图1显示了测试台的整体图。

　　结果分析

　　在分析曲线如图2，图3和图4中，并收集结果，在一个温度(22℃)中选择，清楚地表明不同相变材料的影响活性炭中的量上的周期时间长度与发生个体样品中的热交换过程。相对于温度传感器的更高的质量和热容量，即使吸附的相变材料的量很小，也可以看到处理时间的差异。当与参比样品(I)，没有相变材料，总的冷却和加热时间的所有样品与相变材料的不同水平长。对于样品V，此时间延长了7.5%，对于样品IV，延长了5.2%，对于III，延长了2.4%，对于样品II(未活化的活性炭)，仅延长了0.2%。

　　这项研究的新颖之处在于研究和测试了活性炭为相变材料的载体。由于其发达的表面和高吸收能力，活性炭永久性地吸附一定量的相变材料，从而有可能获得相对于相变材料高达50%的更大的热容量，并且由于范德华力，相变材料即使在液态情况下也不会解吸。还可以防止物体表面和内部的局部过热。过热会导致软化，流动，热变形以及由于氧化，干燥或破裂而降解;所有这些都可能导致物质损坏以及由其构成的物体。研究证明，与商业产品相比，这种有活性炭掺入的建筑材料将更加便宜，同样好效果，并且可以用于生产石膏板，灰泥，熨平板等。

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