wpływ struktury porowatej na pojemność butanową węgli aktywnych

Węgiel aktywny w ochronie środowiska i przemyśle (2006)
GRAŻYNA GRYGLEWICZ
Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Zakład Materiałów Polimerowych i Węglowych
ul. Gdańska 7/9, 50-344 Wrocław
MARIA ZIN, JERZY SOCHA
GRYFSKAND sp. z o.o. w Gryfinie, Zakład Produkcji Węgli Aktywnych
ul. Białostocka 1, 17-200 Hajnówka
ALEKSANDRA KLIJANIENKO
Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Zakład Materiałów Polimerowych i Węglowych
ul. Gdańska 7/9, 50-344 Wrocław
WPŁYW STRUKTURY POROWATEJ
NA POJEMNOŚĆ BUTANOWĄ WĘGLI AKTYWNYCH
Zbadano wpływ tekstury porowatej węgli aktywnych na adsorpcję-desorpcję butanu. Określono wskaźniki butanowe wg normy ASTM. Parametry struktury porowatej, takie jak: powierzchnia właściwa SBET, objętość mikroporów, objętość mezoporów i dystrybucja objętości mezoporów, wyznaczono na podstawie izoterm
adsorpcji i desorpcji azotu w temperaturze 77 K. Jako adsorbenty stosowano komercyjne amerykańskie węgle aktywne, węgle aktywne otrzymane z różnych surowców
w procesie aktywacji parą wodną i węgle aktywne otrzymane z drewna w warunkach
laboratoryjnych metodą aktywacji chemicznej. Stwierdzono, że węgle aktywne
charakteryzujące się powierzchnią właściwą SBET > 1000 m2/g, objętością porów
Vcałk > 0,8 cm3/g i udziałem mezoporów w strukturze porowatej od 0,4 do 0,5 wykazują najlepsze właściwości w układzie adsorpcji-desorpcji butanu.
SŁOWA KLUCZOWE: węgiel aktywny, pojemność butanowa, struktura porowata
WPROWADZENIE
Węgle aktywne są głównie stosowane w procesach adsorpcyjnego oczyszczania
gazów i cieczy. W mniejszej skali są wykorzystywane jako sita molekularne do
rozdziału mieszanin gazowych oraz katalizatory i nośniki katalizatorów [1].
Oprócz tradycyjnych kierunków zastosowań węgli aktywnych rośnie zainteresowanie ich wykorzystaniem w procesach adsorpcyjnego magazynowania metanu
i wodoru oraz magazynowania energii elektrycznej w kondensatorach elektrochemicznych [2]. Każde z wymienionych powyżej zastosowań wymaga materiału
porowatego o specyficznej dla danego procesu teksturze porowatej.
W ostatniej dekadzie dużym zainteresowaniem cieszą się adsorbenty do usuwania lotnych związków organicznych (VOCs). Ma to związek z ukazaniem się
w 1990 roku dokumentu przygotowanego przez Environmental Protection Agency
(EPA), w którym podano dopuszczalne emisje dla ponad 100 związków z grupy
Wpływ struktury porowatej na pojemność butanową węgli aktywnych
307
VOCs. Do tej grupy związków należą m.in. halogenowe pochodne metanu,
węglowodory alifatyczne (propan, butan, heksan, heptan), węglowodory aromatyczne (benzen, chlorobenzeny, toluen, naftalen), związki zawierające w swojej
budowie azot, siarkę lub tlen (pirydyna, tiofen, tetrahydrofuran) [3].
Skuteczną metodą usuwania z powietrza VOCs, występujących zwykle
w niskich stężeniach, jest adsorpcja na węglu aktywnym [4]. Węgle aktywne o odpowiednim stopniu rozwinięcia struktury porowatej, wytrzymałości i granulacji są
stosowane w instalacjach pochłaniaczy oparów paliwa pracujących w układzie
adsorpcyjno-desorpcyjnym z odzyskiem węglowodorów.
Celem tej pracy było określenie efektywności węgli aktywnych w procesie
adsorpcji-desorpcji lotnych związków organicznych na podstawie wyznaczenia ich
pojemności butanowej. Jako adsorbenty stosowano komercyjne amerykańskie węgle aktywne, węgle aktywne otrzymane z różnych surowców w procesie aktywacji
parą wodną oraz węgle aktywne otrzymane z drewna w warunkach laboratoryjnych
metodą aktywacji chemicznej. Zbadano wpływ tekstury porowatej węgli aktywnych, w tym: powierzchni i objętości porów, objętości mikro- i mezoporów, a także dystrybucji objętości porów na adsorpcję i desorpcję butanu.
1. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
1.1. Przedmiot badań
Przedmiotem badań były następujące serie węgli aktywnych:
 Amerykańskie węgle aktywne uznane jako wzorcowe do procesu adsorpcji-desorpcji VOCs: ZX-8020, BAX1100, BAX1500E i WV-A900
 Węgle aktywne otrzymane w procesie aktywacji parą wodną z łupin orzecha
kokosowego (GFS-2), drewna (CWZ-22) i węgla kamiennego (N-G/H)
 Węgle aktywne otrzymane w procesie aktywacji kwasem fosforowym w warunkach laboratoryjnych
1.2. Charakterystyka węgli aktywnych
Parametry struktury kapilarnej węgli aktywnych wyznaczono z izoterm adsorpcji-desorpcji azotu w temperaturze 77 K przy użyciu sorpcjometru NOVA 2000
firmy Quantachrome. Powierzchnię właściwą porów wyznaczono z równania BET.
Z prawa Gurvitcha na podstawie ilości zaadsorbowanego azotu przy ciśnieniu względnym p/po = 0,99 obliczono objętość całkowitą porów. Objętość i rozkład objętości
mezoporów wyznaczono na podstawie równania Kelvina. Objętość mikroporów
obliczono z różnicy pomiędzy objętością całkowitą a objętością mezoporów.
Wytrzymałość mechaniczną węgli aktywnych oznaczono metodą kulową wg
PN-90/C-97554, a liczbę jodową i melasową odpowiednio wg PN-83/C-9755.04
i PN-84/C-97555.05. Oznaczono ponadto zawartość popiołu, pH wyciągu wodnego
(PN-85/C-97555.10) i gęstość nasypową węgli aktywnych (PN-90/C-97554).
308
G. Gryglewicz, M. Zin, J. Socha, A. Klijanienko
Analizę zawartości C, H, N i S w węglu aktywnym wykonano z użyciem automatycznego analizatora składu elementarnego VARIO EL. Zawartość tlenu obliczono z różnicy.
Zdolność węgli aktywnych do adsorpcji-desorpcji określono na podstawie wyznaczonej pojemności butanowej wg ASTM (D-5228-92). Na rysunku 1 przedstawiono schemat aparatury do wyznaczania wskaźników butanowych: pojemności
butanowej roboczej (BWC), aktywności (BA) i retencji butanowej (BR). Układ
pomiarowy zaopatrzony jest w termostatowane w temperaturze 25oC oddzielne
źródła n-butanu i suchego powietrza. Określona normą objętość węgla aktywnego
przed pomiarem jest suszona w przepływie gorącego powietrza. Szklana U-rurka,
w której znajduje się testowany materiał, podczas całego cyklu adsorpcji i desorpcji butanu jest termostatowana w 25oC. Adsorpcję butanu prowadzi się do uzyskania stanu równowagi przy przepływie adsorbatu 15 dm3/godz. Butan desorbuje się
strumieniem suchego powierza o przepływie 18 dm3/godz. w ciągu 40 minut.
Wyznaczana na podstawie danych doświadczalnych pojemność butanowa robocza
BWC określa zdolność węgla aktywnego do pracy w układzie adsorpcja-desorpcja
butanu. Aktywność butanowa BA jest miarą pojemności adsorpcyjnej materiału
względem butanu, a retencja butanowa BR określa ilość adsorbatu, która nie uległa
desorpcji i pozostała w materiale.
Wyniki badań podawane są w procentach wagowych lub w g/100 cm3, przy
czym ze względów użytkowych wymagania jakościowe najczęściej określane są
z uwzględnieniem gęstości nasypowej, tj. w g/100 cm3.
Rys. 1. Schemat aparatury do oznaczania pojemności butanowej
2. WYNIKI BADAŃ
2.1. Charakterystyka węgli wzorcowych
W tabeli 1 przedstawiono wybrane właściwości węgli aktywnych produkowanych w USA i stosowanych powszechnie w procesach adsorpcji-desorpcji. Wyniki
badań pojemności butanowej podano w tabeli 2.
309
Wpływ struktury porowatej na pojemność butanową węgli aktywnych
TABELA 1. Charakterystyka węgli wzorcowych
Popiół
% mas.
pH
wyciągu
wodnego
Liczba
jodowa
mg/g
Liczba
melasowa
mg
Gęstość
nasypowa
g/dm3
Wytrzymałość mechaniczna
%
Postaća
ZX-8020
21,6
2,8
984
100
374
97,3
F
BAX1100
24,9
7,5
940
206
337
94,7
F
BAX1500E
3,5
6,4
1395
65
291
78,3
F
WV-A900
3,8
5,7
1082
70
286
73,9
Z
Węgiel
aktywny
a
F - węgle formowane w postaci wałeczków o średnicy 23,5 mm
Z - nieregularne ziarna o wymiarach 0,54,0 mm
TABELA 2. Wyniki analizy pojemności butanowej węgli wzorcowych
Węgiel
aktywny
Wskaźniki butanowe, g/100 cm3
BWC
BA
BR
Desorpcja butanu
%
ZX-8020
11,5
12,1
0,6
95,0
BAX1100
10,8
12,9
2,1
83,7
BAX1500E
14,8
17,4
2,6
84,6
WV-A900
11,6
13,0
1,4
89,2
Podstawowe wymagania dla węgli aktywnych stosowanych w pochłaniaczach
oparów paliwa pracujących w cyklu adsorpcyjno-desorpcyjnym to pojemność butanowa robocza w zakresie 914 g/100 cm3, retencja butanowa poniżej 3 g/100 cm3,
gęstość nasypowa 240400 g/dm3, granulacja 0,54,0 mm i wysoka wytrzymałość.
Zdolność do adsorpcji i desorpcji butanu zależy od porowatości węgla aktywnego.
W tabeli 3 podano parametry struktury porowatej węgli wzorcowych.
TABELA 3. Parametry struktury kapilarnej wzorcowych węgli aktywnych
Parametr
ZX-8020
BAX1100
BAX1500E
WV-A900
2
1315
0,878
0,494
0,384
0,125
0,136
0,074
0,049
0,44
1096
0,784
0,414
0,370
0,092
0,098
0,085
0,095
0,47
2170
1,402
0,813
0,589
0,193
0,232
0,100
0,064
0,42
1650
1,159
0,620
0,536
0,151
0,181
0,123
0,081
0,46
SBET, m /g
Vcałk, cm3/g
Vmik, cm3/g
Vmez, cm3/g
23 nm
35 nm
510 nm
1050 nm
Vmez/Vcałk
310
G. Gryglewicz, M. Zin, J. Socha, A. Klijanienko
Węgle wzorcowe odznaczają się rozwiniętą strukturą zarówno mikro-, jak i mezoporów, o powierzchni właściwej SBET w zakresie 10962170 m2/g i objętości
całkowitej porów 0,7841,402 cm3/g. Ich cechą charakterystyczną jest zbliżony
udział mezoporów Vmez/Vcałk w strukturze porowatej, który wynosi 0,420,47. Na
rysunku 2 przedstawiono izotermy adsorpcji-desorpcji azotu dla wybranych węgli
wzorcowych. Kształt izoterm wskazuje wyraźnie na bimodalny charakter struktury
porowatej tych węgli, na duże rozwinięcie struktury mikroporów przy równocześnie silnie ukształtowanej strukturze mezoporów. Asortymenty BAX1500E
i WV-A900 charakteryzują się najlepiej rozwiniętą strukturą porowatą i największą
pojemnością i aktywnością butanową, ale ich wytrzymałość jest wyraźnie
niższa w porównaniu z pozostałymi węglami. Pod względem stopnia desorpcji najkorzystniejsze właściwości posiada ZX-8020.
1200
3
VSTP ,cm /g
1000
800
600
400
200
BAX1500E
WVA 900
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
p/po
Rys. 2. Izotermy adsorpcji () i desorpcji (- - -) azotu dla węgli aktywnych wzorcowych
2.2. Charakterystyka węgli aktywnych otrzymanych
w procesie aktywacji parą wodną
Celem tej części pracy było otrzymanie węgli aktywnych o właściwościach
zbliżonych do węgli wzorcowych metodą aktywacji fizycznej. Jako materiał wyjściowy wybrano surowce lignino-celulozowe (łupiny kokosowe, drewno) i węgiel
kamienny. W tabeli 4 przedstawiono podstawową charakterystykę węgli aktywnych. Wskaźniki butanowe zamieszczono w tabeli 5, a parametry struktury kapilarnej w tabeli 6.
TABELA 4. Charakterystyka węgli aktywnych otrzymanych w procesie aktywacji parą wodną
Węgiel
aktywny
GFS-2
Popiół
% mas.
pH
wyciągu
wodnego
Liczba
jodowa
mg/g
Liczba
melasowa
mg
Gęstość
nasypowa
g/dm3
Wytrzymałość
mechaniczna
%
Postaća
4,2
10,2
1585
310
359
96,2
Z
311
Wpływ struktury porowatej na pojemność butanową węgli aktywnych
CWZ-22
4,8
10,6
1000
360
231
92,8
Z
N-G/H
6,1
6,8
1228
330
393
98,9
F
TABELA 5. Wyniki analizy pojemności butanowej węgli aktywnych otrzymanych w procesie
aktywacji parą wodną
Węgiel
aktywny
Wskaźniki butanowe, g/100 cm3
BR
Desorpcja butanu
%
BWC
BA
GFS-2
10,8
16,4
5,6
65,9
CWZ-22
3,3
4,8
1,5
68,7
N-G/H
7,2
12,9
5,7
55,8
Analiza powyższych wyników wskazuje, że węgle aktywne wytworzone z różnych surowców metodą aktywacji parą wodną do 60% ubytku masy nie spełniają
wymogów w zakresie wskaźników pojemności butanowej, chociaż wykazują dużą
wytrzymałość mechaniczną. Wartości liczby melasowej świadczą o słabo rozwiniętej strukturze mezoporów, co potwierdza poziom desorpcji butanu wynoszący zaledwie 5669%. Analiza struktury porowatej tych węgli (tab. 6) tłumaczy ich
niską efektywność w procesie adsorpcji-desorpcji butanu. Są to węgle mikroporowate o bardzo małym udziale mezoporów. Objętości mezoporów wynoszą bowiem
0,1160,175 cm3/g, co stanowi niewielki ułamek (0,2) struktury porowatej.
W przypadku węgli aktywnych GFS-2 i N-G/H o powierzchni właściwej, odpowiednio, 1670 i 1584 m2/g oraz objętości mikroporów powyżej 0,6 cm3/g uzyskano aktywność butanową na poziomie węgli wzorcowych, niemniej ich przydatność użytkowa jest niezadowalająca z uwagi na wysoką retencję wynoszącą
5,65,7 g/cm3.
TABELA 6. Parametry struktury porowatej węgli aktywnych otrzymanych
w procesie aktywacji parą wodną
Parametr
2
SBET, m /g
Vcałk, cm3/g
Vmik, cm3/g
Vmez, cm3/g
23 nm
35 nm
510 nm
1050 nm
Vmez/Vcałk
GFS-2
CWZ-22
N-G/H
1670
0,808
0,633
0,175
0,074
0,043
0,022
0,036
0,22
977
0,491
0,363
0,128
0,026
0,038
0,022
0,042
0,26
1584
0,758
0,642
0,116
0,040
0,039
0,013
0,024
0,15
312
G. Gryglewicz, M. Zin, J. Socha, A. Klijanienko
2.3. Charakterystyka węgli aktywnych otrzymanych
w procesie aktywacji chemicznej
W następnym etapie pracy, do otrzymania węgli o rozwiniętej zarówno strukturze mikro-, jak i mezoporów wykorzystano aktywację chemiczną, stosując jako
czynnik aktywujący kwas fosforowy H3PO4. Na rysunku 3 przedstawiono wpływ
stopnia impregnacji drewna kwasem fosforowym na powierzchnię właściwą SBET
i udział mezoporów w strukturze porowatej (a) oraz objętość mikro- i mezoporów
(b). W zastosowanej procedurze technologicznej ze wzrostem stężenia H3PO4
rośnie powierzchnia porów i objętość mikroporów, osiągając maksimum dla 30%
H3PO4 (SBET = 2054 m2/g, Vmik = 0,773 cm3/g). Udział mezoporów w strukturze
porowatej produktu aktywacji otrzymanym w tych warunkach jest niewielki (0,27).
Podwyższając stężenie kwasu do 50%, otrzymuje się węgiel aktywny, który charakteryzuje się udziałem mezoporów (0,46) porównywalnym z węglami wzorcowymi (0,440,47) i silnie rozwiniętą powierzchnią właściwą (SBET = 1867 m2/g).
Stwierdzono, że wzrost stężenia powoduje głównie rozwinięcie mezoporów w zakresie 25 nm. Obserwowany spadek objętości mikroporów (rys. 3b) wskazuje, że
część mezoporów powstaje prawdopodobnie z poszerzenia mikroporów.
b)
2500
1
3
a
2000
0,6
1500
0,4
1000
0,2
500
0
0
10
1
215
330
50
4
Stężenie H3PO4, %
2
0,8
SBET, m /g
Vmez/Vtot
1
Objętość porów, cm /g
a)
b
0,8
0,6
0,4
0,2
0
10
15
30
50
1
2
3
4
Stężenie H3PO4, %
Rys. 3. Zależność: a) powierzchni właściwej SBET () i udziału mezoporów () oraz
b) objętości mikroporów () i mezoporów () od stężenia kwasu fosforowego
Przeprowadzone badania procesu aktywacji kwasem fosforowym wykazały, że
stopień rozwinięcia struktury porowatej zależy również od atmosfery gazowej,
w której prowadzi się proces. Stwierdzono, że aktywacja w przepływie azotu,
w porównaniu do aktywacji w atmosferze pary wodnej i azotu, sprzyja rozwijaniu
układu mikroporów przy zachowaniu tego samego stopnia rozwinięcia mezoporów. Rodzaj stosowanej atmosfery gazowej znacząco wpływa na skład elementarny
produktu aktywacji. Węgiel aktywny otrzymany w procesie aktywacji w przepływie mieszaniny azotu i pary wodnej charakteryzuje się wyższą zawartością pier-
313
Wpływ struktury porowatej na pojemność butanową węgli aktywnych
wiastka C i prawie dwukrotnie niższą zawartością heteroatomów (N, S, O),
w porównaniu z węglem po aktywacji w atmosferze azotu. Zawartość tlenu maleje
z 22,6 do 10,3% mas., wskazując na zmianę charakteru chemicznego powierzchni
węgla aktywnego.
W tabeli 7 przedstawiono właściwości fizykochemiczne i sorpcyjne z roztworów, a w tabeli 8 właściwości sorpcyjne względem butanu wybranych produktów
aktywacji H3PO4.
TABELA 7. Charakterystyka węgli aktywnych otrzymanych w procesie aktywacji chemicznej
Popiół
% mas.
pH
wyciągu
wodnego
Liczba
jodowa
mg/g
Liczba
melasowa
mg
Gęstość
nasypowa
g/dm3
Wytrzymałość mechaniczna %
Postaća
G-5
3,7
5,9
1384
155
174
88,4
Z
H-1
9,6
4,5
1100
160
250
89,7
Z
Węgiel
aktywny
TABELA 8. Wyniki analizy pojemności butanowej węgli aktywnych otrzymanych
w procesie aktywacji chemicznej
Węgiel
aktywny
Wskaźniki butanowe, g/100 cm3
BWC
BA
BR
Desorpcja butanu
%
G-5
11,0
11,8
0,8
93,2
H-1
10,4
11,4
1,0
91,2
Węgle aktywne G-5 i H-1 charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami
w aspekcie ich wykorzystania jako materiałów porowatych w instalacjach pracujących w cyklu adsorpcyjno-desorpcyjnym. Pojemność butanowa robocza BWC jest
wysoka, a retencja butanowa BR bardzo niska. W tabeli 9 podano charakterystykę
struktury porowatej tych węgli. Silnie rozwinięta struktura mikroporowata i mezoporowata tłumaczy ich dużą zdolność do adsorpcji-desorpcji butanu. Stosunkowo
niska gęstość nasypowa węgla G-5 jest spowodowana nadmiernie rozwiniętą porowatością w zakresie mezoporów o szerokości 1050 nm.
TABELA 9. Parametry struktury kapilarnej węgli aktywnych otrzymanych
w procesie aktywacji chemicznej
Parametr
2
SBET, m /g
Vcałk, cm3/g
Vmik, cm3/g
Vmez, cm3/g
23 nm
35 nm
G-5
H-1
1934
1,669
0,706
0,963
0,246
1313
0,938
0,492
0,446
0,132
314
G. Gryglewicz, M. Zin, J. Socha, A. Klijanienko
510 nm
1050 nm
Vmez/Vcałk
0,275
0,184
0,258
0,58
0,134
0,080
0,100
0,47
2.4. Zależność wskaźników butanowych od parametrów
struktury porowatej
Wskaźniki butanowe oznaczono dla 9 próbek węgli aktywnych różniących się
znacznie strukturą porowatą, o powierzchni właściwej w zakresie 9772170 m2/g,
objętości porów 0,4911,669 cm3/g, objętości mikroporów 0,3630,813 cm3/g
i objętości mezoporów 0,1160,963 cm3/g. Udział mezoporów w strukturze porowatej wynosił od 0,15 do 0,58. Przeprowadzone badania wykazały, że ze wzrostem
powierzchni właściwej i objętości porów rośnie zdolność węgli do adsorpcji butanu. Na rysunku 4a przedstawiono zależność pomiędzy pojemnością butanową
roboczą BWC i aktywnością butanową BA a powierzchnią właściwą SBET badanych węgli aktywnych.
a)
b)
18
100
15
b
80
Desorpcja butanu, %
BA i BWC, g/100cm3
a
12
9
6
3
60
40
Vmez
20
Vmez 2-5 nm
0
0
0
1000
2000
SBET , m2/g
3000
0
0,2 0,4
0,6 0,8
Objętość porów , cm3/g
1
Rys. 4. Wpływ: a) powierzchni SBET węgli aktywnych na wskaźniki butanowe BWC (▲)
i BA(△), b) objętości mezoporów Vmez i V25 nm na desorpcję butanu
Zaobserwowano ponadto wyraźną zależność pomiędzy desorpcją butanu a stopniem rozwinięcia struktury mezoporowatej (rys. 4b). Ze wzrostem objętości mezoporów, a w szczególności mezoporów o szerokości 25 nm, desorpcja butanu
rośnie. Ponad 80% desorpcję butanu uzyskuje się, gdy objętość mezoporów przekracza 0,37 cm3/g.
W warunkach eksploatacyjnych istotnym parametrem jest retencja butanowa,
która powinna być jak najniższa. Wykazano, że węgle aktywne, dla których udział
mezoporów Vmez/Vcałk w strukturze porowatej wynosi 0,40,5, charakteryzują się
315
Wpływ struktury porowatej na pojemność butanową węgli aktywnych
najwyższą pojemnością butanową (rys. 5a) i najniższą retencją (rys. 5b). Pojemność butanowa BWC wyrażona w g/100 cm3 zależy od aktywności butanowej
i gęstości nasypowej węgla aktywnego. Rysunek 6 pokazuje zależność BWC od
wskaźnika strukturalno-gęstościowego SG, stanowiącego iloczyn SBET, Vmez/Vcałk
i gęstości nasypowej. Obserwuje się wyraźną tendencję wzrostu pojemności butanowej ze wzrostem wartości tego wskaźnika, uwzględniającego parametry struktury porowatej węgla aktywnego.
a)
b)
18
15
b
5
12
BR, g/100cm3
BWC, g/100cm3
6
a
9
6
3
4
3
2
1
0
0
0,2
0,4
0,6
Vmez/Vcałk
0,8
0
0
0,2
0,4
0,6
Vmez/Vcałk
0,8
Rys. 5. Zależność wskaźników: a) BWC i b) BR od stosunku Vmez/Vcałk
BWC, g/100cm 3
20
16
12
8
4
0
0
100
200
300
Wpółczynnik SG
Rys. 6. Pojemność butanowa BWC w funkcji wskaźnika SG
WNIOSKI
1. Przeprowadzone badania wykazały, że węgle aktywne stosowane do adsorpcji-desorpcji lotnych związków organicznych charakteryzują się silnie rozwiniętą
strukturą zarówno mikro-, jak i mezoporów. W celu uzyskania wysokiej efek-
316
2.
3.
4.
5.
6.
G. Gryglewicz, M. Zin, J. Socha, A. Klijanienko
tywności procesu udział mezoporów w strukturze porowatej powinien stanowić
od 0,4 do 0,5.
Wstępne badania wykazały, że nie można otrzymać węgla aktywnego metodą
aktywacji parą wodną w standardowych warunkach (950oC, 60% ubytek masy),
spełniającego wymagania dla układów pracujących w cyklu adsorpcyjno-desorpcyjnym.
Węgiel aktywny do powyższych zastosowań porównywalny z węglami wzorcowymi otrzymano metodą aktywacji chemicznej, stosując H3PO4 jako czynnik
aktywujący.
Aktywność butanowa rośnie ze wzrostem powierzchni właściwej SBET i objętości porów. Węgle aktywne charakteryzujące się powierzchnią porów powyżej
1000 m2/g i objętością porów powyżej 0,8 cm3/g odznaczają się dobrymi właściwościami do adsorpcji butanu.
Desorpcja butanu rośnie ze wzrostem objętości mezoporów i udziału mezoporów w całkowitej objętości porów. Istotny wpływ na retencję butanu mają
mezopory o szerokości w zakresie 25 nm.
Warunkiem uzyskania wysokich wartości wskaźnika pojemności butanowej jest
wysoka aktywność butanowa węgla i niska retencja. Taki warunek jest spełniony, gdy węgiel aktywny przy gęstości nasypowej powyżej 300 g/dm3 charakteryzuje się objętością mezoporów na poziomie 0,370,38 cm3/g i objętością
całkowitą porów 0,780,88 cm3/g. Przy niższych gęstościach nasypowych niezbędny jest proporcjonalny wzrost objętości porów z zachowaniem udziału
mezoporów w zakresie 0,40,5.
LITERATURA
[1] Marsh H., Heintz E.A., Rodriquez-Reinoso F., Introduction to Carbon Technologies, University
of Alicante 1997.
[2] Inagaki M., New Carbons, Elsevier, Tokyo 2000.
[3] Mukhopadhyay N., Moretti, E.C., Current and Potential Future Industrial Practices for Reducing
and Controlling Volatile Organic Compounds, Center for Waste Reduction Technologies, New
York 1994.
[4] Lillo-Rodenas M.A., Carratala-Abril J., Cazorla-Amoros D., Linares-Solano A., Usefulness of chemically anthracite for the abatement of VOC at low concentrations, Carbon 2002, 77-78, 331-336.
INFLUENCE OF POROUS TEXTURE ON BUTANE CAPACITY
OF ACTIVATED CARBONS
The influence of porous texture of activated carbons on the adsorption-desorption of butane was studied. The butane indices were determined according to
ASTM procedure. The porous structure parameters such as the surface area SBET,
the micropore volume, the mesopore volume and pore volume distribution were
determined on the base of nitrogen adsorption-desorption isotherms at 77 K. American commercial activated carbons, steam activated carbons prepared from different
precursors and the activated carbons prepared from wood by phosphoric acid activa-
Wpływ struktury porowatej na pojemność butanową węgli aktywnych
tion were used as adsorbents. It was found that the activated carbons with surface
area higher than 1000 m2/g, pore volume higher than 0.8 cm3/g and mesopore
fraction between 0.4 and 0.5 show the best performance in the adsorption-desorption
system.
KEYWORDS: activated carbon, butane capacity, porous texture
317