活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭孔隙对丁烷工作容量的影响

　　近年来，环境法规日益加强，为了满足这一要求，需要具有更好孔隙特性的活性炭。活性炭已应用于蒸发排放控制系统罐中，以减少未燃烧的碳氢化合物。当停车或给车辆加油时，蒸发的气体主要在车辆的油箱中产生。蒸发后的气体被吸附在滤罐的活性炭上，行驶时，吸附的气体从活性炭中清除并在发动机中燃烧。我们使用磷酸活化制备了具有优异孔隙特性的用于汽车蒸发系统的活性炭。通过观察微观结构和孔隙结构分析，研究了磷酸活化条件对孔隙特性的影响。此外，通过结构特性与丁烷工作能力之间的相关分析，来了解碳罐性能需要的活性炭孔结构。

　　活性炭的吸附等温线和质构性质

　　等温吸附-解吸曲线是分析活性炭组织特性的很有用的分析方法。图1显示了根据各种磷酸活化温度，活性炭的等温吸附-解吸曲线。随着活化温度的升高，活性炭的等温吸附/解吸曲线从IUPAC分类的I型变为II型。活性炭-400的等温吸附曲线属于IUPAC分类的I型。活性炭-400的吸附曲线仅在相对压力(P/P0)为0.05或更小时才观察到。这些结果由活性炭的孔壁和吸附剂(N2)之间强烈的相互作用引起的单层吸附以及形成微孔的平均活性炭所表明。在相对压力(P/P0)为0.05或更低的条件下以及在相对压力(P/P0)为0.05或更高的条件下均观察到活性炭-500至活性炭-800的等温吸附曲线。这些结果不仅是由于单层吸附，而且是由于孔壁和吸附剂的多层吸附，而且在发达的活性炭中主要观察到了微孔和中孔。

　　在图1b中，观察到所有活性炭曲线，直至0.01的相对压力(P/P0)都具有几乎相似的吸附行为。因此，无论激活温度如何，所有活性炭都具有相似的微孔结构。众所周知，磷酸的活化机理会导致无定形聚合物(半纤维素和木质素)的活化在400摄氏度或更低的温度下产生大部分微孔，而结晶纤维素的活化则在150摄氏度的温度下产生孔径混合的物质。换句话说，可以确定微孔是由无定形聚合物脱水直至活性炭-400所产生的，而中孔是在活性炭-500至活性炭-800中通过磷酸键的分解而产生的。

　　图1：活性炭的等温线吸附-解吸曲线随各种磷酸活化温度的变化(a)正常和(b)对数。

　　活性炭的等温吸附曲线滞后受活化温度的影响。分别作为IUPAC标准H4型和H3型观察到活性炭-400至活性炭-500和活性炭-600至活性炭-800的磁滞。因此，认为活性炭‐400至活性炭‐500和活性炭‐600至活性炭‐800的孔隙形状分别具有狭缝状的细孔和狭缝状的细孔。活性炭在活化开始时会形成狭缝状的细孔，但随着活化温度的升高，它会变成狭缝状的细孔。磷酸活化机制是通过各种化学反应实现的，例如磷酸酯键的分解，涡轮层堆积和晶体氧化，并且已知根据活化温度而具有不同的反应速率。

　　丁烷工作容量

　　丁烷工作容量是用于分析活性炭罐性能的分析方法。通过活性炭在正丁烷上的吸附和解吸行为来分析丁烷工作容量。分别通过解吸后的吸附率和残留率来计算丁烷活性和丁烷保持性。图2显示了活性炭的丁烷工作容量。随着活化温度的升高，丁烷活性从32.34%提高至58.81%。另一方面，随着活化温度的升高，丁烷的保留率从400到700摄氏度下降到10.12-3.55%，然后在800摄氏度升高到9.96%。活性炭分别由微孔和中孔的体积决定。

　　图2：活性炭的丁烷工作容量能力随各种磷酸活化温度的变化而变化。

　　此外，代表活性炭丁烷吸附和解吸行为的丁烷工作容量随着活化温度的升高，在700摄氏度时升高至22.2–52.8%，然后在800摄氏度时降低至48.8%。丁烷工作容量是反映两种丁烷的指数活动和保持力。因此，活性炭-700被认为具有很好的丁烷工作容量性能，因为它具有出色的丁烷活性和最低的丁烷保持力。另一方面，尽管活性炭-800具有出色的丁烷活性，但与活性炭-700相比，丁烷的保持力高，因此被认为具有与活性炭-600相似的丁烷工作容量性能。

　　活性炭孔隙对丁烷工作容量的影响，在使用高中孔体积的活性炭。研究了各种稳定化和活化温度对活性炭孔结构的影响。可以根据磷酸活化条件任意地控制组织性质(比表​​面积和中孔体积分数)。活性炭的丁烷工作容量与亚中孔体积密切相关。还可以推断，中孔体积分数分别在2.8–3.8nm和5.0–7.0nm范围内分别控制正丁烷的吸附和解吸。针对车辆的污染物排放，具有优异的丁烷工作能力(高丁烷活性和低保持力)的蒸发排放控制系统需要有效的吸附剂。证实活性炭具有出色的比表面积和中孔体积分数，因此拥有更好的丁烷工作容量。

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