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

（河南省林業科學研究院，鄭州 450008）

利用先進的活性炭材料制造技術，通過優化調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劑，活性炭材料既能保持傳熱、傳質相對都較好，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略的高度。吸附制冷是一種有效利用太陽能、廢熱的技術[1-2]。在未來，這一技術將得到廣泛的應用。

在吸附制冷的應用中，活性炭材料是最普遍使用的固體吸附材料。很多研究機構和學者都作了大量的研究工作。然而，到目前為止，還未看到有關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。

活性炭對物質分子的吸附包括：物理吸附和化學吸附。影響炭質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的吸附[3-5]。

在吸附制冷的應用中，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的吸附，而且在加工成塊狀材料時，需要加入粘結劑，降低了本來就不高的吸附能力。

化學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，不僅產生更多的親水基團，而且使活性炭的孔隙更加發達。磷酸法顆?；钚蕴康闹圃旒夹g，采用了使物料個組分均勻化的加工技術，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：活性炭粒度50~100目，靜態吸附環境溫度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℃。經反復試驗，500℃以后的活化及產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。在很多傳統磷酸法制造木質顆?；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，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 結論

通過適當的工藝條件，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?。這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，同時它與氯化鋰復合產物在甲醇為制冷劑的吸附制冷過程中也表現了極佳的性能。

[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）