charakterystyka nanoporowatych węgli aktywnych za pomocą

Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2006)
JERZY CHOMA
Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Chemii, ul. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa
Akademia Świętokrzyska, Instytut Chemii, ul. Chęcińska 5, 25-020 Kielce
CHARAKTERYSTYKA NANOPOROWATYCH
WĘGLI AKTYWNYCH ZA POMOCĄ IZOTERM
ADSORPCJI Z FAZY GAZOWEJ
Dla trzech przemysłowych węgli aktywnych wyznaczono metodą objętościową niskotemperaturowe (77 K) izotermy adsorpcji-desorpcji azotu w szerokim przedziale
ciśnień względnych (od ok. 106 do ok. 1,0). Izotermy te wykorzystano do charakterystyki właściwości strukturalnych i powierzchniowych węgli aktywnych o bardzo dobrze rozwiniętej porowatości. W tym celu wykorzystano metodę BET i s w kombinacji z zaawansowanymi numerycznymi metodami opartymi na teorii funkcjonału
gęstości i funkcji rozkładu potencjału adsorpcyjnego. Do analizy izoterm adsorpcji
z fazy gazowej zastosowano równania izoterm adsorpcji Dubinina-Stoeckli oraz Jarońca-Chomy, przydatne do opisu niejednorodnych mikroporowatych węgli aktywnych. Taka kombinacja dobrze znanych metod wraz z metodami nowymi dostarcza
ilościowych informacji dotyczących mikro- i mezoporowatości badanych węgli aktywnych. Takie parametry struktury porowatej, jak: powierzchnia właściwa BET,
całkowita powierzchnia właściwa, objętość mikroporów, powierzchnia właściwa mezoporów i całkowita objętość porów, ale również funkcje rozkładu objętości porów
i rozkładu potencjału adsorpcyjnego wskazują na istotne zróżnicowanie badanych
węgli aktywnych. O ile węgiel aktywny NP5 jest mikroporowaty, o tyle węgle WV-A900 i BAX 1500 są mikro-mezoporowate, wszystkie z bardzo silnie rozwiniętą porowatością.
SŁOWA KLUCZOWE:
węgle aktywne, adsorpcja z fazy gazowej,
charakterystyka porowatości
WSTĘP
Nanoporowate węgle aktywne są bardzo popularnymi materiałami wykorzystywanymi w badaniach naukowych i w przemyśle. Są one szeroko stosowane jako
adsorbenty, nośniki, katalizatory, wypełnienia kolumn chromatograficznych, jako
materiały do przechowywania gazów itp. [1]. Adsorpcyjne zastosowania nanoporowatych węgli aktywnych sprowadzają się do wykorzystywania ich w takich procesach, jak: oczyszczanie powietrza, wody i gazów przemysłowych, odzyskiwania
par cennych rozpuszczalników, separacja gazów i mieszanin ciekłych itp. Specjalne węgle aktywne są często wykorzystywane do usuwania siarkowodoru z gazu
ziemnego, usuwania dwutlenku siarki i tlenków azotu ze strumienia gazów przemysłowych, do rozdzielania azotu i tlenu z powietrza, do ochrony atmosfery przed
10
J. Choma
węglowodorami pochodzącymi z benzyn w czasie ich nalewania do zbiorników, do
oczyszczania krwi itp.
Odpowiednie przemysłowe wykorzystanie nanoporowatych węgli aktywnych
wymaga dogłębnej wiedzy na temat ich właściwości adsorpcyjnych, które to właściwości wynikają z rozwiniętej struktury porowatej oraz chemicznej budowy powierzchni tych materiałów. Jak się wydaje, istotną rolę w ocenie właściwości adsorpcyjnych nanoporowatych węgli aktywnych mogą odegrać pomiary polegające
na wyznaczaniu niskotemperaturowych izoterm adsorpcji azotu czy argonu lub
pomiary w temperaturze pokojowej izoterm adsorpcji benzenu. Niskociśnieniowe
części tych izoterm dostarczają odpowiednich danych pozwalających na charakterystykę struktury mikroporowatej i powierzchniowych właściwości tych materiałów, natomiast średnio- i wysokociśnieniowe dane adsorpcyjne pozwalają na szczegółową charakterystykę struktury mezoporowatej tych materiałów węglowych, co
prowadzi do określenia powierzchni właściwej mezoporów oraz funkcji rozkładu
ich objętości. Doświadczalne izotermy adsorpcji z fazy gazowej zazwyczaj zaliczane są do jednej z sześciu kategorii zgodnie z klasyfikacją IUPAC [2] (rys. 1).
W celach przemysłowych największym zainteresowaniem cieszą się węgle aktywne charakteryzujące się I lub IV typem izotermy adsorpcji.
Adsorpcja
Typ I
Typ II
Typ III
Typ IV
Typ V
Typ IVc
Ciśnienie względne
Rys. 1. Klasyfikacja izoterm adsorpcji z fazy gazowej [2]
W niniejszej pracy, na podstawie doświadczalnych izoterm adsorpcji azotu
wyznaczonych w temperaturze 77 K na węglach aktywnych o wyjątkowo dobrze
Charakterystyka nanoporowatych węgli aktywnych za pomocą izoterm adsorpcji z fazy gazowej
11
rozwiniętej strukturze porowatej, omówiono nowoczesne metody, które mogą być
pomocne do wyznaczania podstawowych parametrów służących adsorpcyjnej ocenie tych węgli aktywnych.
1. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
1.1. Węgle aktywne
Badania przeprowadzono dla trzech przemysłowych węgli aktywnych, zainteresowanie którymi wyniknęło z ich niezwykle rozwiniętej struktury porowatej. Dwa
węgle aktywne, oznaczone symbolami WV-A900 i BAX 1500, pochodziły z firmy
MeadWestvaco Corp. (Covington, VA, USA). Są one otrzymywane ze specjalnych
gatunków drewna, karbonizowane i aktywowane w obecności kwasu ortofosforowego(V). Trzeci węgiel aktywny, oznaczony symbolem NP5, pochodził z firmy
GRYFSKAND (Hajnówka, Polska). Jest on otrzymywany z pestek śliwek. Po karbonizacji jest następnie aktywowany parą wodną i dwutlenkiem węgla.
1.2. Pomiary
W celu określenia właściwości adsorpcyjnych przemysłowych węgli aktywnych
wyznaczono dla nich niskotemperaturowe (77 K) izotermy adsorpcji azotu w warunkach statycznych za pomocą objętościowego analizatora adsorpcyjnego ASAP
2010 firmy Micromeritics (Norcross, GA, USA). Analizator ten jest wyposażony w
trzy reduktory ciśnieniowe (1000, 10 i 1 mm Hg), pozwalające zarówno na dużą
dokładność, jak i wysoką rozdzielczość pomiarów adsorpcyjnych, możliwych do
wykonania nawet dla bardzo małych ciśnień względnych (rzędu 106). Przed
pomiarami adsorpcyjnymi próbki węgli aktywnych odgazowano w temperaturze
473 K w ciągu 2 godzin. Niskotemperaturowe (77 K) izotermy adsorpcji azotu dla
badanych węgli aktywnych są przedstawione w liniowej skali ciśnień względnych
na rysunku 2 i w logarytmicznej skali ciśnień względnych na rysunku 3.
Adsorpcja [cm3 STP/g]
1000
800
600
400
- WV-A900
- BAX 1500
- NP5
200
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Ciśnienie względne
1.0
Rys. 2. Doświadczalne izotermy adsorpcji i desorpcji azotu w temp. 77 K w liniowej
skali ciśnień względnych na węglach
aktywnych WV-A900, BAX 1500 i NP5
12
J. Choma
Adsorpcja [cm3 STP/g]
1000
800
- WV-A900
- BAX 1500
- NP5
600
400
200
0
10-6
10-4
10-2
0
10
Ciśnienie względne
Rys. 3. Doświadczalne izotermy adsorpcji i desorpcji azotu w temp. 77 K w logarytmicznej skali ciśnień względnych na węglach aktywnych WV-A900, BAX 1500 i NP5
2. OMÓWIENIE WYNIKÓW I WNIOSKI
Z punktu widzenia klasyfikacji IUPAC izoterm adsorpcji wśród doświadczalnych izoterm adsorpcji azotu dla badanych węgli aktywnych, przedstawionych na
rysunkach 2 i 3, można wyróżnić: izotermę I typu na węglu NP5 oraz izotermy IV
typu na węglach WV-A900 i BAX 1500. Izoterma I typu wskazuje na dużą adsorpcję w przedziale niskich ciśnień względnych, czyli dotyczy adsorbentów ze znacznie rozwiniętą mikroporowatością (porowatością, którą tworzą pory o liniowych
wymiarach mniejszych od 2 nm). W obszarze średnich i wysokich ciśnień względnych izoterma dla węgla NP5 ma przebieg nieomal równoległy do osi odciętych,
co wskazuje na to, że mezoporowatość (pory o wymiarach od 2 do 50 nm) jest słabo rozwinięta. Natomiast izotermami IV typu, według klasyfikacji IUPAC, charakteryzują się węgle aktywne WV-A900 i BAX 1500, które oprócz stosunkowo dobrze rozwiniętej mikroporowatości mają dobrze rozwiniętą mezoporowatość. Na podstawie doświadczalnych izoterm adsorpcji azotu przedstawionych na
rysunkach 2 i 3 w przedziale ciśnień względnych p/po = 0,05÷0,3 dla węgli aktywnych WV-A900 i BAX 1500 oraz p/po = 0,01÷0,2 dla węgla aktywnego NP5 wyznaczono za pomocą metody BET powierzchnie właściwe SBET badanych węgli aktywnych, które przedstawiono w tabeli 1. Analizując wartości SBET, należy stwierdzić, że wybrane przemysłowe węgle aktywne charakteryzowały się wyjątkowo
dużymi wartościami powierzchni właściwej. Drugą metodą, którą wykorzystano do
wyznaczania parametrów struktury porowatej węgli aktywnych, była porównawcza
metoda s, szczegółowo opisana w pracy [3]. Na podstawie wykresów s przedstawionych na rysunku 4, dla małych wartości s od 0,1 do 0,6 dla węgla aktywnego NP5 i dla małych wartości s od 0,1 do 1,0 dla węgli aktywnych WV-A900
i BAX 1500 wyznaczono całkowite powierzchnie właściwe St tych węgli (tab. 1).
Porównanie tych wartości z wartościami powierzchni właściwej wyznaczonymi
metodą BET wskazuje, że w przypadku węgli aktywnych WV-A900 i BAX 1500
Charakterystyka nanoporowatych węgli aktywnych za pomocą izoterm adsorpcji z fazy gazowej
13
powierzchnie te były zgodne, co było naturalne, jako że sposób wyznaczania powierzchni właściwej obiema metodami oparty był na tych samych założeniach teoretycznych. Stwierdzono natomiast znaczną rozbieżność powierzchni właściwych
SBET i St dla węgla aktywnego NP5. Jedynym uzasadnieniem tak znacznej różnicy
może być duża mikroporowatość tego węgla aktywnego, a, jak wiadomo, metoda
BET daje niezbyt dokładne wyniki w przypadku mikroporowatych węgli aktywnych zawierających mikropory o małych liniowych wymiarach. Na podstawie
wykresów s (rys. 4) dla dużych wartości s od 1,0 do 2,0 dla wszystkich węgli aktywnych wyznaczono objętość mikroporów Vmi i powierzchnię właściwą mezoporów Sme. Otrzymane wartości przedstawiono w tabeli 1. Analizując te wartości, należy stwierdzić, że struktura porowata badanych węgli aktywnych była bardzo
zróżnicowana. Węgiel NP5 był rzeczywiście węglem mikroporowatym o bardzo
małym udziale mezoporów, natomiast węgle aktywne WV-A900 i BAX 1500 nie
dość, że miały bardzo dobrze rozwiniętą mikroporowatość, to dodatkowo charakteryzowały się niezwykle rozwiniętą mezoporowatością. Węgle aktywne o tak dobrze rozwiniętej mezoporowatości spotyka się rzadko. W tabeli 1 przedstawiono
jeszcze jeden parametr struktury porowatej badanych węgli aktywnych, a mianowicie całkowitą objętość porów Vt. Parametr ten uzyskuje się także na podstawie
doświadczalnej izotermy adsorpcji. Aby otrzymać całkowitą objętość porów Vt,
należy całkowitą adsorpcję at, odczytaną z izotermy adsorpcji dla p/po = 0,99, pomnożyć przez współczynnik 0,0015468, pozwalający przeliczyć adsorpcję wyrażoną w cm3 STP/g na objętość adsorbatu, równą objętości porów, w cm3/g. Trzeba
podkreślić, że wartości całkowitej objętości porów Vt przedstawione w tabeli 1 były wyjątkowo duże jak dla węgli aktywnych i dlatego rzadko spotykane.
Adsorpcja [cm3 STP/g]
1000
800
600
400
- WV-A900
- BAX 1500
- NP5
200
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Adsorpcja standardowa s
Rys. 4. Wykresy s dla badanych węgli aktywnych WV-A900, BAX 1500 i NP5 wyznaczone z użyciem standardowych danych adsorpcji azotu na sadzy Cabot BP280 [3]
14
J. Choma
TABELA 1.
Parametry struktury porowatej węgli aktywnych wyznaczone na podstawie
niskotemperaturowej (77 K) adsorpcji azotu
Powierzchnia
właściwa
SBET
m2/g
Całkowita
powierzchnia
właściwa St
m2/g
Objętość
mikroporów
Vmi
cm3/g
Powierzchnia
właściwa
mezoporów Sme
m2/g
Całkowita
objętość
porów Vt
cm3/g
WV-A900
1690
1670
0,61
570
1,30
BAX 1500
2120
2070
0,82
600
1,51
NP5
1840
1360
0,81
54
0,90
Symbol węgla
aktywnego
Z punktu widzenia charakterystyki struktury mikroporowatej adsorbentów węglowych materiały te klasyfikuje się na jednorodne (homogeniczne) - o wąskich
funkcjach rozkładu objętości mikroporów - i niejednorodne (heterogeniczne) - o szerokich funkcjach rozkładu objętości mikroporów. Przemysłowe węgle aktywne
charakteryzują się najczęściej niejednorodną strukturą mikroporowatą. Dlatego do
opisu tej struktury wykorzystuje się całkowe równanie izotermy adsorpcji o następującej postaci:

a mi  a omi mi A, x  J x  dx

(1)
0
w którym ami jest adsorpcją w mikroporach równą a - ame (gdzie a jest doświadczalną adsorpcją na węglu aktywnym, ame jest adsorpcją w mezoporach), a omi jest
pojemnością adsorpcyjną mikroporów (maksymalną adsorpcją w mikroporach),
mi(A, x) jest lokalną izotermą adsorpcji dla jednorodnych mikroporów, x jest liniowym wymiarem mikroporów, A - potencjałem adsorpcyjnym, J(x) - funkcją
rozkładu objętości niejednorodnych mikroporów węgla aktywnego.
Dubinin i Stoeckli [4], rozwiązując całkowe równanie adsorpcji (1) z zastosowaniem równania Dubinina-Raduszkiewicza w charakterze funkcji lokalnej oraz
rozkładu Gaussa w charakterze funkcji rozkładu objętości mikroporów, uzyskali
następujące równanie izotermy adsorpcji, zwane równaniem Dubinina-Stoeckli (DS):
a mi 

mx o2 A 2 

exp  
2 2 
2 2


1
2
m
A
2 1  2m A


a omi


xo
1  erf 

2 2

  2 1  2m A





(2)
Równanie DS zawiera trzy parametry: a omi - pojemność adsorpcyjną mikroporów
o
( Wmi
 a omi  0,0015468 - objętość mikroporów), xo - połowę szerokości płaskiej
mikroporowatej szczeliny (dla szczelinowego modelu mikroporów), dla której występuje maksimum funkcji rozkładu mikroporów i  - dyspersję rozkładu objętości
mikroporów (dla jednorodnych mikroporów  = 0 nm).
Jaroniec i współpracownicy [5], rozwiązując całkowe równanie adsorpcji (1)
z zastosowaniem równania Dubinina-Astachowa (n = 2 lub 3) w charakterze funk-
15
Charakterystyka nanoporowatych węgli aktywnych za pomocą izoterm adsorpcji z fazy gazowej
cji lokalnej oraz rozkładu gamma w charakterze funkcji rozkładu objętości mikroporów, uzyskali następujące równanie izotermy adsorpcji, znane w literaturze jako
równanie Jarońca-Chomy (JC):
a mi  a omi
  A n 
1    
     

n
(3)
o
Parametrami tego równania są: a omi - pojemność adsorpcyjna mikroporów ( Wmi
=
o
= a mi  0,0015468 - objętość mikroporów),  i  - parametry funkcji gamma rozkładu mikroporów.
TABELA 2.
Porównanie parametrów równań DS (2) i JC (3) uzyskanych na podstawie
adsorpcji azotu na badanych węglach aktywnych
Symbol węgla
aktywnego
Równanie DS (2)
cm STP/g
o
Wmi
3
cm /g
xo
nm
WV-A900
453
0,70
BAX 1500
526
NP5
549
Adsorpcja w mikroporach [cm3 STP/g]
a omi
3
Równanie JC (3)

nm
a omi
3
cm STP/g
o
Wmi
3
cm /g
1,23
0,76
396
0,61
4,77
1,21
0,81
1,10
0,84
497
0,77
5,87
1,45
0,85
0,90
0,54
510
0,79

kJ/mol
10,7

1,94
400
300
WV-A900
- dane doświadczalne
- DS
- JC
200
100
0
10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1
Ciśnienie względne
Rys. 5. Aproksymacja doświadczalnej izotermy adsorpcji azotu w temperaturze 77 K
w mikroporach węgla aktywnego WV-A900 za pomocą równań DS (2) i JC (3)
W tabeli 2 przedstawiono porównanie parametrów struktury porowatej badanych węgli aktywnych uzyskanych za pomocą równania DS (2) i JC (3), natomiast
na rysunku 5 przedstawiono aproksymację danych doświadczalnych adsorpcji
azotu w mikroporach węgla aktywnego WV-A900 za pomocą równań DS i JC,
16
J. Choma
minimalizując sumę kwadratów odchyleń danych doświadczalnych i obliczonych.
Analiza danych przedstawionych w tabeli 2 i na rysunku 5 pokazuje, że wykorzystane równania DS i JC dobrze opisują izotermy adsorpcji zmierzone na niejednorodnych węglach aktywnych. Opis adsorpcji azotu na węglu aktywnym WV-A900
za pomocą tych równań jest zadowalający w szerokim przedziale ciśnień względnych od 104 do 0,4, natomiast za pomocą tych równań przewiduje się zbyt dużą
wartość adsorpcji w przedziale najniższych ciśnień względnych, tj. od 106 do 104.
Istotną rolę w charakterystyce właściwości adsorpcyjnych węgli aktywnych,
oprócz parametrów ich struktury porowatej, odgrywają funkcje rozkładu objętości
porów. Dlatego w niniejszej pracy wyznaczono te funkcje za pomocą nowoczesnej
metody wykorzystującej niezlokalizowaną teorię funkcjonału gęstości (NLDFT Nonlocal Density Functional Theory). Na rysunku 6 przedstawiono funkcje rozkładu objętości porów badanych węgli aktywnych w zależności od liniowego
wymiaru porów wyznaczone metodą NLDFT. Funkcje te podkreślają strukturalne
zróżnicowanie badanych węgli aktywnych. Węgiel aktywny NP5 był węglem mikroporowatym. Funkcja rozkładu objętości porów dla tego węgla była zawarta w przedziale mikroporowatości (szerokość porów < 2 nm). Powyżej 2 nm objętość porów
była znikoma. Inaczej wyglądają funkcje rozkładu węgli aktywnych WV-A900
i BAX 1500. Węgle te miały dobrze rozwiniętą mikroporowatość, a także bardzo
dobrze rozwiniętą mezoporowatość. Mezopory dla obu węgli aktywnych miały
wymiary sięgające 6 nm, a w przypadku węgla aktywnego WV-A900 nawet
8 nm. Porównując dyspersje funkcji rozkładu objętości porów badanych węgli aktywnych w przedziale mikroporowatości, trzeba stwierdzić, że była ona najmniejsza dla węgla aktywnego NP5, natomiast dyspersja funkcji rozkładu mezoporów
dla węgla aktywnego WV-A900 była większa od dyspersji dla mezoporów węgla
BAX 1500.
Istotną rolę w charakterystyce właściwości powierzchniowych węgli aktywnych odgrywa funkcja rozkładu potencjału adsorpcyjnego X(A). Funkcję rozkładu
potencjału adsorpcyjnego danego adsorbatu na węglu aktywnym łatwo obliczyć
na podstawie doświadczalnej izotermy adsorpcji. Aby uzyskać funkcję rozkładu
potencjału adsorpcyjnego X(A), należy:
– po pierwsze przekształcić równowagowe ciśnienie względne (p/po) w odpowiadający temu ciśnieniu potencjał adsorpcyjny (A)
p
A  RT ln o
p
(4)
gdzie R jest uniwersalną stałą gazową, a T - temperaturą bezwzględną;
– oraz po drugie zróżniczkować ilość zaadsorbowanego adsorbatu, wyrażoną
w postaci jego objętości (V) zgodnie z zależnością:
XA   
dV
dA
(5)
Charakterystyka nanoporowatych węgli aktywnych za pomocą izoterm adsorpcji z fazy gazowej
1.5
WV-A900
1.0
Rozkład objętości porów [cm3/gnm]
0.5
0.0
Westvaco
BAX1500E
BAX
1500
1.0
Col 2
0.5
0.0
GryfSkand NP5
NP5
1.0
0.5
0.0
0
2
4
6
8
Wymiar porów [nm]
Rozkład potencjału adsorpcyjnego [cm3mol/gkJ]
Rys. 6. Funkcje rozkładu objętości porów badanych węgli aktywnych wyznaczone za pomocą metody NLDFT
0.5
- WV-A900
- BAX 1500
- NP5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
2
4
6
8
10
Potencjał adsorpcyjny [kJ/mol]
Rys. 7. Funkcje rozkładu potencjału adsorpcyjnego azotu w temperaturze 77 K na węglach aktywnych WV-A900, BAX 1500 i NP5
17
18
J. Choma
Wyznaczanie pierwszej pochodnej objętości zaadsorbowanego adsorbatu po potencjale adsorpcyjnym zrealizowano metodą numeryczną i w ten sposób uzyskane
funkcje rozkładu potencjału adsorpcyjnego przedstawiono na rysunku 7. Funkcja
rozkładu potencjału adsorpcyjnego azotu na węglu aktywnym NP5 znacznie różniła się od funkcji rozkładu dla węgli WV-A900 i BAX 1500, co świadczyło
o różnej mikroporowatości badanych węgli aktywnych. W przypadku węgla aktywnego NP5 zaobserwowano wyraźny efekt tworzenia się monowarstwy cząsteczek
azotu na powierzchni węgla w przedziale potencjału adsorpcyjnego A od ok. 8 do
ok. 4 kJ/mol oraz efekt zapełniania mikroporów w przedziale A od ok. 4 do ok.
1 kJ/mol.
PODSUMOWANIE
Przemysłowe i badawcze wykorzystywanie węgli aktywnych oparte jest na ich
rozwiniętej porowatości i specyficznych właściwościach powierzchniowych. Z tego punktu widzenia szczegółowa charakterystyka porowatości węgli aktywnych
ma ogromne znaczenie. Rozważania teoretyczne i wyniki obliczeń przedstawione
w niniejszej pracy wskazują na dużą przydatność pomiarów adsorpcyjnych azotu (a
także innych adsorbatów) do charakterystyki nanoporowatych węgli aktywnych.
Niskociśnieniowe pomiary adsorpcyjne pozwalają na badanie struktury mikroporowatej i powierzchniowych właściwości tych adsorbentów, a także na monitorowanie zmian tych właściwości, wynikających z modyfikacji struktury i powierzchni.
LITERATURA
[1] Jaroniec M., Choma J., Characterization of nanoporous carbons by using gas adsorption isotherms, (w:) Activated Carbon Surfaces in Environmental Remadiation, ed. T.J. Bandosz, Academic Press, New York 2006, 107-158.
[2] Sing K.S.W., Everett D.H., Haul R.A.W., Moscou L., Pierotti R.A., Rouquerol J., Siemieniewska
T., Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination
of surface area and porosity, Pure Appl. Chem. 1985, 57, 603-619.
[3] Choma J., Charakterystyka energetycznej i strukturalnej niejednorodności węgli aktywnych
meto-dą termodynamiczną, Mat. Konf. Węgiel aktywny w ochronie środowiska i w przemyśle,
Często-chowa 2004, 9-22.
[4] Dubinin M.M., Stoeckli H.F., Homogeneous and heterogeneous microporous structures in carbonaceous adsorbents, J. Colloid Interface Sci. 1980, 75, 34-42.
[5] Jaroniec M., Lu X., Madey R., Choma J., Evaluation of structural heterogeneities and surface
irregularities of microporous solids, Mater. Chem. Phys. 1990, 26, 87-97.
CHARACTERIZATION OF NANOPOROUS ACTIVE CARBONS
BY USING GAS ADSORPTION ISOTHERMS
Low temperature nitrogen adsorption-desorption isotherms at 77 K were measured by a volumetric method for three commercial active carbons in the entire range
Charakterystyka nanoporowatych węgli aktywnych za pomocą izoterm adsorpcji z fazy gazowej
of relative pressures (from about 10–6 to about 1.0). These isotherms were used to
characterize the structural and surface properties of active carbons of well developed
porosity. For this purpose use was made of the BET and s-plot methods in combination with advanced numerical methods based on the density functional theory calculations and adsorption potential distribution functions. The Dubinin-Stoeckli and
Jaroniec-Choma equations for heterogeneous microporous carbons, are considered
for the analysis of gas adsorption isotherms. The combination of well-known methods
with a new ones allows for the quantitative estimation of micro- and mesoporosity of
the active carbons studied. The parameters of the porous structure such as the BET
surface area, total surface area, micropore volume, mesopore surface area, and total
pore volume as well as pore size and adsorption potential distributions, indicate
a significant differentiation of the active carbons studied. While the active carbon
NP5 is microporous, WV-A900 and BAX 1500 are micro-mesoporous carbons of
highly developed porosity.
KEYWORDS:
ty
active carbons, gas phase adsorption, characterization of porosi-
19