吸附制冷用活性炭材料的研制及性能分析

賀德留，錢世江，金 鈺

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吸附制冷用活性炭材料的研制及性能分析

賀德留，錢世江，金 鈺

（河南省林業(yè)科學(xué)研究院，鄭州 450008）

利用先進的活性炭材料制造技術(shù)，通過優(yōu)化調(diào)整活性炭的孔徑分布和表面基團，制造出適合吸附制冷的活性炭材料?；钚蕴繉χ评鋭┑奈铰蔬_到90%以上。由于在成型過程中無需添加任何粘結(jié)劑，活性炭材料既能保持傳熱、傳質(zhì)相對都較好，吸附能力又無任何減弱。是一種較為理想的吸附制冷用固體吸附材料。

吸附制冷；活性炭材料；甲醇

化石能源的快速枯竭，使得可再生能源的利用研究被世界各國提到了戰(zhàn)略的高度。吸附制冷是一種有效利用太陽能、廢熱的技術(shù)[1-2]。在未來，這一技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用。

在吸附制冷的應(yīng)用中，活性炭材料是最普遍使用的固體吸附材料。很多研究機構(gòu)和學(xué)者都作了大量的研究工作。然而，到目前為止，還未看到有關(guān)吸附制冷專用活性炭的研究報道。其實，活性炭由于制造工藝的不同，性質(zhì)上存在著千差萬別。只有具有合適的孔徑分布和表面基團的活性炭材料，才有可能最大程度的提高吸附制冷的效率。

活性炭對物質(zhì)分子的吸附包括：物理吸附和化學(xué)吸附。影響炭質(zhì)材料吸附性能的因素包括：比表面積、孔徑分布以及表面基團。比表面積代表著活性炭材料孔隙發(fā)達的程度，孔徑分布是對活性炭孔隙范圍的表征。只有合適的孔徑分布才能極大的吸附某種物質(zhì)的分子，合適的孔徑分布越集中，對分子的吸附量就越大。而活性炭表面上的基團對于分子的吸附選擇性影響很大。一般我們把活性炭簡單的分為疏水性和親水性活性炭。親水性的活性炭含有比較多的極性基團，從而更適合對極性物質(zhì)的吸附[3-5]。

在吸附制冷的應(yīng)用中，與活性炭配對的最常用的制冷劑是甲醇?；钚蕴繉状嫉奈侥芰χ苯雨P(guān)系到吸附制冷的效率。由于甲醇是極性有機物，普通的活性炭材料對甲醇的吸附能力并不太理想。目前吸附制冷研究上大都使用的是物理法的椰殼活性炭。由于是高溫條件下制造，這種活性炭表面親水基團失去很多，屬于疏水性活性炭，它不太適合對極性物質(zhì)的吸附，而且在加工成塊狀材料時，需要加入粘結(jié)劑，降低了本來就不高的吸附能力。

化學(xué)法尤其是磷酸法制造的活性炭，由于活化溫度低，制造過程更多的保留了極性基團。工藝過程的空氣氧化，不僅產(chǎn)生更多的親水基團，而且使活性炭的孔隙更加發(fā)達。磷酸法顆?；钚蕴康闹圃旒夹g(shù)，采用了使物料個組分均勻化的加工技術(shù)，從而達到活性炭孔徑分布更加集中，因而能夠使活性炭對單一有機分子的吸附達到最大值。本研究制造出的顆?；钚蕴繉状嘉铰识荚?0%以上，最好的達到了1.4 g/g的水平。Rogerio G.Oliveira博士在“甲醇負載氯化鋰的活性炭上的吸附特征”一文中，對該種活性炭做了充分的研究和肯定[6]。

1 試驗材料及方法

1.1 材料

使用的材料為杉木屑，粒度10~40目?；罨瘎?5%磷酸（分析純）。

1.2 實驗裝置及程序

涉及到的活性炭的孔徑分布和比表面積，系用ST-2000比表面孔徑測定儀測定。甲醇飽和吸附量的測定采用真空干燥器法，吸附狀態(tài)：活性炭粒度50~100目，靜態(tài)吸附環(huán)境溫度25℃，吸附時間24小時。

活性炭材料的制造工序：將木屑與活化劑磷酸在一定條件下均勻混合半小時，然后進行塑化處理、機械均勻密實化處理、成型、（氧化）硬化、活化以及后處理等。

2 結(jié)果和討論

從表1可以看出，對于甲醇吸附用活性炭，以木屑為原料，磷酸為活化劑，制造活性炭的最佳活化溫度為500℃。經(jīng)反復(fù)試驗，500℃以后的活化及產(chǎn)品性能的測試也證實了這一點。

表1 活化溫度對活性炭吸附甲醇性能的影響

備注：所使用的酸屑比為1.6︰1

從表2可以看出，酸屑比為1.6︰1時，無論是飽和吸附量和比表面積都是處于最佳值。在很多傳統(tǒng)磷酸法制造木質(zhì)顆?；钚蕴窟^程中均采用這一酸屑比[7]。

表2 酸屑比對活性炭吸附甲醇性能的影響

備注：使用的酸濃度42 Be′活化溫度500℃。

空氣氧化有助于活性炭表面含氧基團的形成，大大增加了活性炭的親水性，因此活性炭對極性物質(zhì)甲醇的吸附能力也大大提高。從表3中可以看出，170 ℃的氧化效果明顯高于120 ℃，主要是由于170 ℃條件下，正是木材組分在酸的作用下分解，分解的組分處于最活潑的狀態(tài)，植物纖維原料酸水解制造糠醛正是在這一溫度條件下。另外增加材料與空氣接觸氧化的表面積，能有效提高含氧基團的數(shù)量，并促進了活性炭孔隙的形成，增加了活性炭的比表面積和表面極性，從而也使得對甲醇的吸附量提高。

表3 空氣氧化對活性炭吸附性能的影響

備注：所使用的酸濃度42Be′ 活化溫度500℃。

3 結(jié)論

通過適當?shù)墓に嚄l件，采用磷酸法可以制造出對甲醇具有吸附性能很強的顆?；钚蕴俊＿@種工藝條件下制造的活性炭不僅對甲醇具有很高的吸附性能，同時它與氯化鋰復(fù)合產(chǎn)物在甲醇為制冷劑的吸附制冷過程中也表現(xiàn)了極佳的性能。

[1] 李香榮，吳靜怡，盧允莊，等. 固化塊狀活性炭-甲醇的吸附性能實驗分析[J]. 工程熱物理學(xué)報，2003，24（3）：382-384.

[2] E.E.Anyanwu，Review of solid adsorption solar refrigerator I:an over view of the refrigeration cycle[J]，Energy Conversion and Management, 44(2003)301–312.

[3] H. Benaddi，Surface functionality and porosity of activated carbons obtained from chemical activation of wood[J]，Carbon 38 (2000) 669-674.

[4] Marit Jagtoyen，Activated carbons from yellow poplar and white oak by H3PO4 activation[J], Carbon Vol.36, No.7-8, pp.1085-1097.

[5] M. S. SOLUM，Evolution of carbon structure in chemically activated wood[J], Carbon Vol. 33, No. 9, pp. 1247-1254.

[6] Dr.Rogerio G.Oliveira,Adsorption characteristic of methanol in activated carbon impregnated with lithium chloride[J], Chemical Engineerning & Technology, Vol 33 Issue 10(2010).

[7] United States Patent6,225,256 Activated carbon feedstock

2012-06-15

TQ424.1+1

B

1003-2630（2012）02-006-02

（責任編輯：王文彬）