活性炭微孔中环戊烷的吸附和解吸

　　环戊烷是一种脂环烃，已知具有多种重要的工业应用，例如气雾剂，橡胶基粘合剂，合成树脂和泡沫的合成。它也被用作聚氨酯绝缘泡沫的制造中的发泡剂，是一种有前途的制冷剂。环戊烷的另一个非常有趣的特征是它可以在大气压下且温度不太低可用于形成笼形水合物，为了改善环戊烷的水合转化率。本次通过分析各种质地特性的活性炭中环戊烷的吸附和解吸，通过结合表征(孔体积，孔和粒径分布)，环戊烷的吸附和解吸等温线和吸附焓测量，对环戊烷的吸附进行了研究并表征了具有互补质地的四种活性炭。

　　图1：用光学显微镜观察活性炭颗粒的外部形态。

　　活性炭中环戊烷的吸附和解吸

　　吸附能力和焓通过图2所示的环境下吸附/解吸等温线评估不同样品的吸附能力。这些等温线在纳米多孔活性炭中呈现出典型的蒸汽吸附形状，在低压下相应于微孔的填充，吸附的环戊烷急剧增加。对于最高压力(P/P>0.5)，该趋势可以直接与通过氩气孔率法获得的孔径分布关联。确实，对于主要是微孔的活性炭1，2和3，可以很快获得饱和平台，而对于包含中孔的活性炭4，环戊烷的吸附量仍在不断增加。对应于介孔中环戊烷的分层。

　　图2：通过重量分析法测得的不同活性炭上环戊烷的吸附/解吸等温线。

　　四种活性炭的吸附容量与它们的孔体积直接相关，较高的孔体积导致较高的吸附容量。微孔活性炭对环戊烷吸附等温线的比较清楚地表明，即使可以预料到由于颗粒大小和孔体积，颗粒大小也不会显着影响环戊烷吸附能力。

　　环戊烷吸附/解吸后活性炭的表征

　　确定导致环戊烷吸附的孔径在环戊烷脱附后，在初级真空下24小时内长时间抽空后，用氩气对活性炭进行表征。可以理解，氩气在吸附的环戊烷中的溶解度被忽略。环戊烷吸附前后孔容和孔径分布的差异如图3所示。可以看到，所有可到达的孔体积都减小了，这证实了部分孔隙仍然充满了环戊烷。对不同孔径分布的分析以及样本之间的比较使得可以得出一些结论。首先，无论活性炭如何，环戊烷吸附/脱附前后的中孔数量(孔径>2nm)均保持不变，这表明即使在该类型的孔隙中存在活性位，环戊烷也可从中孔脱附。相反，对于每个活性炭，几乎所有的超微孔和小微孔(孔径<1.1nm)都会填满，这表明由于在这种小腔中流体与固体之间的高相互作用，环戊烷仍被困在这些孔中，对于中间微孔(1.1nm<孔径<2nm)，无论活跃孔隙的数量和性质如何。

　　图3：通过氩气吸附测量的活性炭的孔体积。

　　通过气孔法对环戊烷吸附/脱附前后的活性炭进行分析，可以进一步洞察一些已经发表的研究，这些研究观察到了活性炭中环戊烷的捕集，但没有确定相关的孔隙度。活性炭对环戊烷水合物结晶的影响时，液体环戊烷被活性炭吸收，因为直接吸收比蒸汽吸附更容易在工业过程中实施。为此，在初级真空下于12小时内纯化后，向微孔活性炭吸收了一部分液体环戊烷。

　　环戊烷在活性炭中的吸附几乎不可逆。一方面，吸附和解吸等温线测量表明，即使在初级真空下长时间抽空后，所有活性炭中仍保留着29%至48%的环戊烷。另一方面，量热测量已确定在最低的环戊烷负载下会发生高能吸附。环戊烷吸附和解吸前后的孔隙率法确定，颗粒尺寸对环戊烷吸附的影响可以忽略不计，而孔径分布的影响却很大。小于1.1nm的孔径被认为是造成不可逆环戊烷吸附的原因。孔隙分布与孔隙率法的耦合表明，要除去滞留在超微孔中的环戊烷，必须有着比较高的温度。在存在活性炭的情况下水到水合物的转化率较低可能与环戊烷吸附有关。由于高环戊烷储存容量和易于环戊烷释放对于活性炭增强环戊烷水合物的形成是必需的，因此建议使用大多数孔大于1.1nm的微孔活性炭，以保持此处给出的结果。