活性炭 和純碳粉的熱分析曲線，摘要: 為了研究 活性炭 熱解對(duì)孔結(jié)構(gòu)，表面微觀結(jié)構(gòu)，采用恒溫氮吸附脫附、掃描電鏡和熱重-紅外光譜等方法對(duì)蒸汽活化法制備的煤 基柱狀活性炭 的形態(tài)特征和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析。

　　結(jié)果表明 :活性炭 孔徑以微孔為主，占孔徑的 %，孔徑分布在4nm以?xún)?nèi); 采用30 K/min的升溫速率，比較了 活性炭 和碳粉的熱紅外曲線，并且排除了碳體自身熱解的影響，消除了 活性炭 其官能團(tuán)在不同溫度下熱解釋放的氣體，間接獲得了表面官能團(tuán)的羧基、羰基、羥基、醚鍵等。在800 ℃ 條件下，活性炭 中的 碳元素 與熱解產(chǎn)生的氣體發(fā)生反應(yīng)，從而改變了其孔結(jié)構(gòu)。活性炭 熱解前后碘和 亞甲藍(lán)值 的變化表明，高溫?zé)峤鈺?huì)增加孔隙率，減少微孔，中孔數(shù)量略有增加，而熱再生溫度不應(yīng)超過(guò)1000 ℃。

　　其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，不同 于金剛 石的碳原子排列規(guī)則，微晶碳排列不規(guī)則，類(lèi)似于石墨的結(jié)晶?；瘜W(xué)穩(wěn)定性高，機(jī)械強(qiáng)度好，吸附飽和后可循環(huán)利用能。廣泛應(yīng)用于氣液兩相凈化、脫色處理、溶劑回收、電容器電極材料等領(lǐng)域。

　　國(guó)內(nèi) 活性炭 年產(chǎn)量約為600,000噸，用于水處理的領(lǐng)域超過(guò)50%。主要用于去除水中的有機(jī)污染物。這些有機(jī)吸附劑含有不同類(lèi)型的官能團(tuán)，并且 活性炭 表面上的官能團(tuán)會(huì)影響其吸附性能?；钚蕴课?不同的物種 有機(jī)物 有不同的機(jī)制。在特定的溫度下，不同的官能團(tuán)產(chǎn)生相應(yīng)的氣體。通過(guò)熱重紅外確定 活性炭 官能團(tuán)的類(lèi)型是可行的。Cu2O用于熱重分析酸化的 活性炭。研究發(fā)現(xiàn)，在500 ~ 700 ℃ 時(shí)，含碳氧官能團(tuán)的熱解失重是主要原因。

　　活性炭 在制備過(guò)程中，熱解溫度的變化對(duì)孔結(jié)構(gòu)有一定的影響。在熱解過(guò)程中，氣體氣氛對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)有一定影響。高 O2 含量和水蒸氣會(huì)破壞 活性炭 微孔結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，不同原料制備的活性炭的大孔數(shù)在熱解前后發(fā)生變化，不同原料的熱解靈敏度也不同?；钚蕴?經(jīng)過(guò) TGA 分析，需要進(jìn)行高溫處理，但是高溫處理會(huì)引起孔結(jié)構(gòu)的收縮和塌陷以及孔結(jié)構(gòu)的變化?；钚蕴?熱解后，酚醛樹(shù)脂 中的微孔數(shù)量基本不變，中孔數(shù)量減少。酚醛樹(shù)脂 主要粘附在中孔的內(nèi)壁上，但對(duì)微孔沒(méi)有影響?；钚蕴?當(dāng)苯酚被熱解時(shí)，吸附性能不能得到更好的恢復(fù)。一些難以裂化的酚殘基附著在 活性炭 的孔隙上，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

　　活性炭熱解孔變化的原因不同，中孔和微孔的變化不同。通過(guò)對(duì) 煤基活性炭 物理孔隙的表征以及熱重紅外技術(shù)對(duì)熱解過(guò)程中材料產(chǎn)物的分析，探討了熱解前后 活性炭 孔結(jié)構(gòu)的變化，并通過(guò) 活性炭吸附 實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探討了 活性炭 熱解過(guò)程中物料產(chǎn)物與溫度的關(guān)系。

　　選用波型活性炭廠家生產(chǎn)的煤基柱狀活性炭，采用蒸汽活化法。元素分析見(jiàn)表1。碳化和活化對(duì)氣孔結(jié)構(gòu)有重要影響。炭化是從空氣中加熱材料，物理反應(yīng)包括干燥、脫水和脫氣，化學(xué)反應(yīng)包括有機(jī)物化學(xué)鍵斷裂，氫和氧元素被排出，形成原生孔柱狀活性炭，而活化是通過(guò)水蒸氣和碳的反應(yīng)釋放氣孔并產(chǎn)生新的氣孔。本研究以活性炭為原料，通過(guò)對(duì)碳粉和柱狀活性炭的對(duì)比分析，深入探討了活性炭熱解過(guò)程中原料對(duì)產(chǎn)物的影響，選擇了純度為15000目的原料。

　　以柱狀活性炭孔為特征的自動(dòng)吸附器用于氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)。相對(duì)壓力P/PO（P為平衡壓力，PO為飽和壓力）在10-7℃1K之間，且柱狀活性炭在高純N2上的吸附效果較好。在進(jìn)行測(cè)試之前，將樣品在100min的真空脫氣1h。使用BrunaureEmmett-Teller，BET，BET計(jì)算比表面積，使用Dubinin-Radushkevitvh，DR，DFT，密度泛函理論，DFT，DFT計(jì)算孔徑分布，使用BrunaureEmmett，BET，BET，BET，BET，BET計(jì)算比表面積。對(duì)不同倍率的柱狀活性炭樣品的表面形貌進(jìn)行了SEM分析。結(jié)果如圖1所示，如圖1所示：柱面活性炭表面相對(duì)光滑，附著在表面的碎屑較少，物理孔洞較發(fā)育。

　　將活性炭樣品20 mg放入熱天平上的坩堝中，通過(guò)高純N2引入樣品。以30K/℃的升溫速率從40℃加熱到1200min到30Kmin。熱重儀記錄樣品的失重，并將加熱過(guò)程中產(chǎn)生的氣體通過(guò)傳送管從高純N2掃至分光光度計(jì)樣品檢測(cè)器的樣品檢測(cè)器。轉(zhuǎn)移管的溫度設(shè)置為200攝氏度，紅外光譜氣體的溫度設(shè)置為200攝氏度。

　　根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定了亞甲藍(lán)值和柱狀活性炭的碘值和（裂解柱狀活性炭值），并用曲線方程Y+擬合了已知濃度苯酚溶液的相應(yīng)吸光度。用圓柱狀活性炭吸附已知濃度的苯酚溶液，通過(guò)擬合方程計(jì)算出苯酚余液的濃度，從而確定苯酚的吸附值和吸附量。在120℃干燥4h后，將兩種樣品分別放入150ml和100 mg/l的苯酚溶液中。在25℃時(shí)，等溫吸附時(shí)間分別為30min、60min、90min、120min、150min和180min。

　　33活性炭N2等溫吸附及其物理性質(zhì)分析。

　　柱狀活性炭的吸附性能主要體現(xiàn)在其微孔上，用N2等溫吸附-脫附曲線測(cè)試了微孔的吸附性能。結(jié)果如圖2所示。圓柱形活性炭在國(guó)外提純和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)邦分類(lèi)中屬于典型的類(lèi)型I吸附等溫線。當(dāng)P/PO壓力增大時(shí)，吸附量較大，呈急劇上升趨勢(shì)；當(dāng)P/PO壓力較大時(shí)，隨著壓力的增加，吸附量逐漸增加，然后緩慢增加，直到P/PO快速上升時(shí)達(dá)到平衡?？梢钥闯?，圖2中的再脫附曲線與吸附曲線存在差異，且存在滯后現(xiàn)象，表明柱狀活性炭中仍有少量中孔。

　　相關(guān)人士指出：活性炭單分子層的吸附是在低壓階段進(jìn)行的，而活性炭可以計(jì)算出比表面積單分子層吸附結(jié)束后，微孔填料被映射到圖2吸附等溫線，一直持續(xù)到吸附等溫線達(dá)到平衡結(jié)束，吸附等溫線** 后慢慢上升到毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。柱狀活性炭的比表面積值是用BET法和低溫氮?dú)馕接?jì)算得到的/g。用Barrett-Joyner-Halenda（BJH）方法計(jì)算柱狀活性炭的微孔體積，用等溫吸附曲線和Polanyi吸附勢(shì)能理論DR方程分析柱狀活性炭的微孔體積。微孔體積與微孔體積之比分別為/g和/g，微孔占有率為%。采用DFT法求解N2的等溫線吸附曲線?？讖椒植既鐖D3所示，柱狀活性炭的孔徑主要分布在4nm以?xún)?nèi)，4nm以上的占很小活性炭，圓柱孔徑** 小值為1nm，中等孔徑** 小值為3nm，說(shuō)明該孔徑主要為一次孔徑；

　　活性炭和純碳粉的熱分析曲線如圖4所示。如圖4所示，純碳粉的質(zhì)量損失很小，重量損失為%，熱重曲線是穩(wěn)定的，微商熱重曲線沒(méi)有峰值。純碳粉的質(zhì)量損失較小是由于其本身的量有機(jī)物在高溫下熱解揮發(fā)所致。純碳粉沒(méi)有復(fù)雜的孔結(jié)構(gòu)活性炭，但與外界接觸后，表面會(huì)粘附在有機(jī)物上，受熱時(shí)會(huì)發(fā)生輕微失重。筒體活性炭的重量損失也較小，主要是殘余水、官能團(tuán)和少量吸附質(zhì)的分解碳化所致。鋼瓶活性炭將在儲(chǔ)存期間吸收空氣中的一些水。在早期階段，在105℃干燥℃, 在這個(gè)溫度下的水不能被分離范德華力和揮發(fā)。在200℃, 羧基被釋放CO2并裂解到大約400℃ 生產(chǎn)CO。結(jié)果表明，柱狀活性炭中的DTG在230處略有波動(dòng)℃. 與熱重分析（TG）和DTG曲線相比，600℃后失重差異更明顯℃, 因?yàn)橹鶢罨钚蕴吭诳諝庵形搅松倭康挠袡C(jī)物，并且具有官能團(tuán)。因此，600后開(kāi)始熱解℃, 因此，柱狀活性炭的失重率遠(yuǎn)高于純碳粉。羰基和醚鍵在700時(shí)從CO釋放℃ 和CO2，氣溫繼續(xù)上升。碳單體表現(xiàn)出還原性。在935℃, 它是由CO2和熱解CO生成的H2O反應(yīng)而成，形成** 大失重峰。以煤焦油為粘結(jié)劑制備柱狀活性炭，發(fā)現(xiàn)煤焦油中含有脂肪、芳香族化合物和焦油極性物質(zhì)，峰值出現(xiàn)在935℃, 與活性炭粘結(jié)煤焦油有關(guān)。

　　碳粉的差示掃描量熱DSC曲線與柱狀活性炭相似。當(dāng)溫度為100-200℃, 小吸熱峰是由于水的揮發(fā)（減少活性炭）小于碳粉的揮發(fā)而產(chǎn)生的。在此階段活性炭，發(fā)生官能團(tuán)熱解并釋放熱量。碳粉DSC交投500點(diǎn)后出現(xiàn)℃ 并迅速上升，而柱狀活性炭和碳粉DSC則在1000點(diǎn)后逐漸平緩℃。

　　圖。圖5示出了溫度上升柱狀活性炭和純調(diào)色劑的每個(gè)波長(zhǎng)的紅外光譜峰值曲線。純碳粉在CO（2250至2000cm-1）和CO2（2400至2250cm-1）中低，表明不會(huì)產(chǎn)生熱解過(guò)程CO和CO2，其中更大吸光度為4000至3500cm-1,2000至1250cm-1，對(duì)應(yīng)于更大的吸光度，表明在調(diào)色劑有機(jī)物上有少量有機(jī)物，其中4Teller00cm-1為0 -h振蕩c \ u003d o，c \ u003d c，co和cc伸縮振蕩純碳粉，碳粉有機(jī)物的有機(jī)物主要來(lái)自外界邊界，因此含量低，自由水分是較少的。