活性炭和纯碳粉的热分析曲线

• 来源：快盈iiiq 更新时间：2021-05-18点击：2081次

• 　　活性炭和纯碳粉的热分析曲线，文摘：为了研究活性炭的热解作用对孔隙结构的影响，选用以无烟煤为原料，水蒸气活化法制备的煤基柱状活性炭为样品，采用恒温氮吸附脱附、扫描电镜、热重-红外光谱等手段对其表面微观结构、形貌特征及化学性质进行了分析。

  快盈iii　　结果表明：活性炭孔径主要是微孔，占孔径的95.45%，孔径分布在4nm以内;采用30K/min的升温速率，将活性炭和炭粉的热红外曲线进行对比，排除了炭体本身热解作用的影响，并通过活性炭自身的官能团在不同温度下热解所释放的气体，间接地得到了表面官能团的羧基、羰基、羟基、醚键等，在800℃条件下，活性炭内的碳元素与热解所产生的气体发生反应，从而改变其孔结构。活性炭热解前后碘与亚甲蓝值的变化表明，高温热解会使孔隙率增大，微孔减小，中孔数略有上升，而热再生温度不应超过1000℃。

  　　活性炭的热解作用于物理孔。

  　　绪论。

  快盈iii　　其结构复杂，孔隙结构丰富，不同于金刚石的碳原子规律性排列，其微晶炭的无规则排列与石墨的结晶相类似。其化学稳定性高，机械强度好，吸附饱和后再生能循环利用，在净化气液两相、脱色处理、溶剂回收、电容器电极材料等领域均有广泛应用。

  快盈iii　　国内活性炭的年产量在60万吨左右，用于水处理的领域在50%以上，主要是用来去除水中的有机污染物，这些有机吸附质所含的官能团种类不同，而活性炭表面的官能团会影响其吸附性能。活性炭吸附不同种类有机物质的机理不同。在特定温度下，不同的官能团产生相应的气体，用热重红外测定活性炭官能团的种类是可行的，用Cu2O对酸化处理后的活性炭进行热重分析发现，在500~700℃，含炭氧官能团物质的热解失重是主要原因。

  

  　　活性炭制备过程中，热解温度的变化对孔结构有一定的影响，热解过程中气体气氛对孔结构有一定的影响，高O2含量和水蒸汽会破坏活性炭的微孔结构。结果表明：不同原料制备的活性炭在热解前后大孔数发生了变化，不同原料的热解敏感性也不同。活性炭经TGA分析后要求高温处理，但高温处理会引起孔结构收缩坍塌，引起孔结构变化。活性炭热解后，酚醛树脂的微孔数量基本不变，中孔数量减少，酚醛树脂主要粘附于中孔的内壁，而对微孔无影响。活性炭热解载苯酚时，吸附性能并不能得到较好的恢复，部分难裂解的苯酚残渣粘附到活性炭的孔隙中，导致孔隙结构发生变化。

  快盈iii　　活化炭热解孔隙变化的原因不同，中孔和微孔量的变化规律不同。通过对煤基活性炭物理孔隙的表征，并利用热重红外技术对热解过程中物质产物进行分析，探讨了热解前后活性炭孔隙结构的变化，并通过活性炭吸附实验进一步探讨了活性炭热解过程中物质产物与温度的关系。

  　　一是材料和方法。

  　　1.1.样品准备。

  　　选用波涛型活性炭生产厂家生产的煤基柱状活性炭，采用水蒸汽活化法，元素分析见表1。碳化和活化对气孔结构有重要影响，碳化是将物料隔绝空气加热，物理反应包括干燥、脱水和脱气，化学反应包括有机物的化学键断裂，把氢和氧元素排出，形成柱状活性炭的初级孔，而活化则是通过水蒸气和碳的反应，使气孔释放出来，产生新的气孔。本研究以活性炭为原料，通过碳粉和柱状活性炭的对比分析，深入探讨了活性炭在热解过程中原料对产物的影响，选择纯度99.93%的纯度15000目。

  快盈iii　　表格1NAC元素的分布。

  　　比例元素。

  　　COAlSi)。

  快盈iii　　品质百分比/%95.38,4.620。

  　　2.样品的表征方法。

  　　氮气吸附实验用柱状活性炭孔隙表征的自动吸附器。相对压力P/PO(P为平衡压力，PO为饱和压力)在10-7~1K之间，柱状活性炭对高纯N2的吸附效果较好。将样品放置于100℃真空脱气1h后再进行试验。用BrunaureEmmett-Teller,BET,BET计算比表面积;用Dubinin-Radushkevitvh,DR,DFT,DensityFunctionalTheory,DFT,DFT，计算孔径分布，用BET,BET,BET,BET,BET计算比表面积。用SEM对不同放大倍数的柱状活性炭试样进行表面形貌分析，结果见图1。如图1所示：圆柱形活性炭表面比较光滑，附着于表面的碎屑较少，物理孔较为发达。

  　　活性炭的热解作用于物理孔。

  　　1.3.热重红外线联合试验。

  快盈iii　　将活性炭样品20mg左右放置于热天平上坩埚内，经高纯N2通入样品，从40℃至目标温度1200℃之间加热至30K/min，加热速率为30K/min。热重仪记录样品失重情况，加热过程产生的气体通过传送管从高纯N2吹扫到分光光度计样品检测器的样品检测器，传送管的温度设为200℃，红外光谱气体的温度设为200℃。

  　　1.4.吸附测试。

  快盈iii　　根据国家标准测定了柱状活性炭与裂解柱状活性炭的碘与亚甲蓝值，并对已知浓度的苯酚溶液的对应吸光度进行拟合曲线方程为Y=0.02+0.0156X。用圆柱状活性炭吸附已知浓度的苯酚溶液，并用拟合的方程式来计算苯酚余液的浓度，从而确定苯酚的吸附值，从而确定苯酚的吸附量。在120℃干燥4h后，将两种类型样品分别置入150ml、100mg/l的酚水溶液中，在25℃下，测定其恒温吸附时间分别为30min、60min、90min、120min、150min和180min。

  　　二是结果与分析。

  　　3。3。活性炭对N2等温吸附及其物理性质的分析。

  快盈iii　　圆柱形活性炭的吸附性能主要体现在其微孔上，微孔上采用N2等温吸附-脱附曲线进行测试，结果见图2，圆柱形活性炭在国际纯化和应用化学联合会分类中属于典型的I型吸附等温线。当P/PO压力初升时，吸附量较大，呈急剧上升趋势;当P/PO压力大于0.05时，吸附量随压力的增大而逐渐增大，然后在P/PO快升至1.0时呈缓慢上升趋势，直至平衡。可以看出，图2中重脱附曲线与吸附曲线存在着差异，并出现了滞后现象，说明柱状活性炭中仍有少量中孔。

  　　相关人士指出：活性炭对单分子层的吸附是在低气压阶段进行的，这一阶段可以计算出活性炭的比表面积;单分子层吸附结束后是微孔填充物，并映射到图2吸附等温线上，这一阶段一直持续到吸附等温线达到平衡时结束，吸附等温线最后缓慢上升属于毛细凝聚现象。采用BET法，通过低温氮气吸附，计算得到了柱状活性炭的比表面积值为894.96m2/g。利用Barrett-Joyner-Halenda(BJH)方法，利用等温吸附曲线，利用Polanyi吸附势能理论DR方程，对柱状活性炭的微孔体积进行了解析计算，得到了柱状活性炭的微孔体积与微孔体积的比值为0.44cm3/g与0.42cm3/g，微孔占有率为95.45%。采用DFT方法求解N2等温吸附曲线，得到了孔径分布如图3所示，其中柱状活性炭孔径主要分布在4nm以内，4nm以上孔隙占很小。活性炭柱状孔径最小值为1nm，中孔径最小值为3nm，表明其孔径主要为一级孔径;

  快盈iii　　活性炭的热解作用于物理孔。

  　　活性炭的热解作用于物理孔。

  快盈iii　　2活化炭的裂解特性分析。

  　　图4中显示了活性炭和纯碳粉的热分析曲线。如图4所示：纯碳粉的质量损失极小，失重为1.39%，热重曲线平稳，微商热重曲线没有出现峰值，纯碳粉的质量损失极小是由于自身有一定量的有机物，在高温下热解挥发。纯碳粉末没有活性炭那样复杂的孔隙结构，但与外界接触后，其表面会粘附有机物质，加热时会出现轻微失重。圆柱形活性炭的失重也较小，为4.26%，这主要是由于活性炭残余的水分、官能团和少量的吸附物分解炭化所致。圆柱形活性炭在贮存过程中会吸收空气中的一些水分，前期经过105℃干燥，该温度下的水分无法挣脱范德华力挥发，200℃时羧基热解放出CO2，到400℃左右裂解产生CO。结果表明，柱状活性炭的DTG在230℃时波动较小。与热重碳粉(ThermalGravityAnalysis,TG)和DTG曲线相比，失重差在600℃以后更加明显，因为柱状活性炭吸附空气中的少量有机物质，并具有官能团，因此在600℃以后开始热解，使柱状活性炭的失重速率比纯碳粉要大得多。羰基和醚键在700℃以上与CO2反应释放出CO，温度继续升高，碳单质呈现还原性，在935℃时与热解生成的CO2和H2O反应生成CO，形成一个最大的失重峰。以煤焦油为粘合剂制备柱状活性炭，发现其含有脂肪、芳香族化合物和焦油极性物质，在935℃时出现峰值，与活性炭粘合剂煤焦油有关。

  快盈iii　　活性炭的热解作用于物理孔。

  　　炭粉与柱状活性炭的差热(DifferentialScanningCalorimeter,DSC)曲线相似，在100~200℃时，由于水分挥发，产生小的吸热峰。活性炭的降幅小于炭粉的降幅，这一阶段活性炭发生官能团热解，释放热量。炭粉的DSC在500℃后有一交点出现，并迅速上升，而柱状活性炭和炭粉的DSC在1000℃后逐渐平缓。

  　　图5中显示了升温范围内柱状活性炭和纯碳粉的各个波数的红外光谱峰值曲线。纯碳粉在CO(2250~2000cm-1)和CO2(2400~2250cm-1)处的吸光度较低，表明在热解过程中CO和CO2不会产生，其中对于较大的吸光度在4000~3500cm-1,2000~1250cm-1处，对应于较大的吸光度，表明在碳粉上有少量有机物存在，其中4000~3500cm-1为水的0—H振荡;纯碳粉中C=O,C=C,C-O和C-C伸缩振荡，碳粉中的有机物主要来自与外界接触，因此含量较低，自由水分较少。