научная статья по теме АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН»

химия

ТВЕРДОГО ТОПЛИВА <2 • 2004

УДК 661.183,66.097.5

© 2004 г. Караева А.Р., Пешнев Б.В., Эстрин Р.И., Бонк Х.К.,

Французов В.К.|, Лапидус А.Л.

АДСОРБЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН

Представлены результаты исследований адсорбционных характеристик материалов, полученных на основе углеродных нановолокон (УНВ). Показано, что, меняя условия и порядок проведения модификации УНВ, можно варьировать адсорбционные характеристики полученных материалов (удельную адсорбционную поверхность, объем пористого пространства, параметры пористой структуры) в широком диапазоне.

Среди различных высокопористых материалов важное место занимают материалы на основе углерода. Они находят применение в различных областях науки и техники, широко используются как адсорбенты для осветления технических масел, очистки вод и газовых выбросов, в медицине при производстве лекарственных веществ, а также для поглощения токсинов из биологических жидкостей или непосредственно из крови. Углеродные материалы (УМ) часто используют как носители катализаторов и адсорбенты в химических и нефтехимических процессах.

Особое место среди УМ занимают высокопористые углеродные нано-трубки (УНТ) и нановолокна, образованные свернутыми графитовыми сетками. К углеродным нановолокнам можно отнести и материал, образующийся в результате термокаталитического разложения углеводородов или диспропорционирования монооксида углерода на поверхности железа, кобальта, никеля и известный как волокнистый углерод (ВУ), каталитический филаментарный углерод (КФУ) и др. [1, 2]. Важное свойство ВУ - высокие адсорбционные свойства [3]; в настоящее время одним из наиболее перспек-

Рис. 1. Микрофотографии УНВ до (а) и после (•) процесса деметаллизации (просвечивающая микроскопия)

тивных направлений считается применение его в качестве сорбента или носителя катализаторов [4-7].

В работе представлены результаты изучения адсорбционных свойств пористых частиц УНВ. Модификация УНВ заключалась в его термообработке -деметаллизации или деметаллизации - термообработке. Методика ее проведения подробно описана ранее [8].

Способность углеродных материалов сорбировать газы и пары различных веществ изучали статическим объемным и весовым методами. Газохромато-графическим методом (по низкотемпературной адсорбции азота) и методом БЭТ (по адсорбции бензола и уксусной кислоты) определяли удельную поверхность УМ.

В зависимости от изменения условий обработки значения удельной поверхности (по азоту) УНВ, полученных после их деметаллизации путем обработки 37%-ным раствором соляной кислотой, варьировались в пределах ~173-300 м2/г и превышали расчетные значения адсорбционной поверхности (~139 м2/г). Ранее было высказано предположение [8, 9], что в результате процесса деметаллизации в углеродном материале образуются дополнительные поры, которые существенно увеличивают поверхность ВУ.

При анализе фотографий (рис. 1), полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии, в "теле" волокна до и после процесса деметаллизации дополнительные поры обнаружены не были. На рис. 1,а металл заметен только в "головке" волокна. После процесса деметаллизации (рис. 1,6) в головке волокна обнаружена пустота, повторяющая форму удаленного металла.

Анализ микрофотографий образцов УНВ, снятых до и после процесса деметаллизации, позволил определить наружный Б и внутренний диаметр й волокон (табл. 1). Сопоставление диаметров показало, что в результате деметаллизации наружный диаметр волокна увеличивается, а внутренний уменьшается.

Удельную поверхность 5рд рассчитывали, исходя из результатов электронной микроскопии на основании средних значений Б и й, по формуле

р = 5 = 4( й + Б) = _4

уд т р ( б2 - й2) Р ( Б - й)'

СР _ и _ -туц Т Ц ) _ -т

°уд - ~ - ) )Г - (1)

Таблица 1

Диаметр и удельная адсорбционная поверхность УНВ

Средний диаметр, нм Удельная поверхность, м2/г А5уд = Зуд - Зуд

Образец УНВ наружный (Р) внутренний (^ расчетная ) экспериментальная (Зуд ) по N2 м2/г

До деметаллизации После деметаллизации 32.6 34.5 13.9 9.0 55.4 139.0 86.0 173.0 30.6 34.0

полученной при допущении, что длина углеродного волокна существенно превышает его диаметр (Ь > О). Результаты расчета приведены в табл. 1. Близкие значения АЗуд могут служить основанием для предположения о шероховатости поверхности углеродного волокна.

Рентгеноструктурный анализ показал, что размер кристаллитов графита (Ь) УНВ в сопоставлении с исходным материалом уменьшается с 53 до 31.8 А, а межплоскостное расстояние й002 между сетками гексагонов увеличивается с 3.394 до 3.423 А. Очевидно, это связано с внедрением образующихся в результате процесса деметаллизации хлоридов железа и водорода в межплоскостное расстояние кристаллической решетки слоев графита.

Дополнительные результаты получены при анализе изотерм адсорбции паров бензола и уксусной кислоты (рис. 2, 3) методом БЭТ [10]. Ступенчатая форма капиллярно-конденсационной гистерезисной петли, характерная для мезопористых твердых тел (IV тип изотерм), свидетельствует о цилиндрической форме пор, которые являются неоднородными, и о наличии нескольких типов центров адсорбции, идентификация которых требует специальных исследований (ИК-спектроскопия).

Значения удельной поверхности по БЭТ вычисляли по уравнению

5уд = ат ытИа, (2)

где Иа - число Авогадро, ют - площадь, занимаемая на поверхности одной адсорбированной молекулой газа, м2, ат - емкость монослоя, моль/г.

Значения удельной поверхности УНВ: 132 м2/г (по бензолу) и 128 м2/г (по уксусной кислоте). Ошибка в определении величины адсорбции по трем измерениям не превышала 3-5%. Таким образом, величина удельной поверхности УНВ по адсорбции паров бензола и уксусной кислоты отличается на 23-24% от величины удельной поверхности по адсорбции азота. Причину наблюдаемых различий следует искать, вероятно, в недоступности микропор для больших молекул адсорбтива.

Интерпретация изотерм адсорбции паров бензола и уксусной кислоты в соответствии с теорией объемного заполнения пор (ТОЗ) Дубинина и Ра-душкевича [10, 11] позволила выявить параметры двух разновидностей (табл. 2) микропористой структуры УНВ (Ж01, W02 - адсорбционное пространство пор; В1, В2 - структурная константа размера пор), образованных мелкими (индекс "1") и крупными (индекс "2") микропорами. На основании экспериментальных изотерм по величине адсорбции, отвечающим точке начала гистерезиса, были рассчитаны объемы микро- и мезопор, заполняемые

a • 10 2, мкмоль/г

20

10

0.6 0.8 P/Po

Рис. 2. Изотермы адсорбции - десорбции паров бензола при 25°С

a • 10-2, мкмоль/г 40

30 -

20

10 -

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Р/Ро

Рис. 3. Изотермы адсорбции - десорбции паров уксусной кислоты при 25°С

адсорбированными веществами. Объем макропор вычисляли по разности суммарного и предельного адсорбционного объема пор. Суммарную пористость Ух определяли по влагоемкости материала, которая равна 0.804 см3/г [12]. Предельный объем пор вычисляли из максимальной величины адсорбции, получаемой из изотермы адсорбции при давлении, близком к давлению насыщенного пара.

Таблица2

Параметры пористой структуры УНВ

Объемы пор, см3/г Структурные характеристики

Пары адсорбтива V v ми V v ме V v ма W01 • 102 W02 • 102 B1 • 106 B2 • 106

см 3/г

Бензол 0.02 0.15 0.63 8.93 8.85 2.48 2.86

Уксусная кислота 0.03 0.20 0.56 5.6 5.4 1.1 3.7

Рис. 4. Влияние условий термообработки на изменение поверхности УМ, полученных по методикам I (а) и II (б)

Оба сорбтива (бензол и уксусная кислота) с различным эффективным размером молекул дали удовлетворительно согласующиеся между собой величины. Высокие значения констант Б{ свидетельствуют об адсорбции этих молекул в мезопорах с большим диаметром пор.

Существенное влияние на адсорбционные свойства образующегося углеродного материала оказывают температура и время экспозиции продукта, а также последовательность проведения операций термообработка - деметал-лизация (методика I) или деметаллизация - термообработка (методика II).

Для выбора условий модификации образцов исходного УНВ с целью получения математической модели процесса синтеза УМ, имеющего заданные параметры, была проведена обработка полученных экспериментальных данных с помощью стандартной программы Excel с использованием встроенного пакета анализа данных.

Изменение удельной адсорбционной поверхности УМ в зависимости от условий процесса термообработки адекватно описывают полиномы (3) и (4):

для методики I

yl = b0 + b1 x1 + b2 x1 x2 + b3 x21 + b4 x21 + b5 xl, (3)

для методики II

y2 = bo + bi X2 + b2 Xi + Ьз x2 + b4 xi + b5 x2, (4)

где x1 - температура процесса термообработки, °С; x2 - время термообработки, мин; b0-bn - коэффициенты.

Значения критериев Фишера свидетельствуют об адекватности модели (условие адекватности ^расч < ^табл):

^расч = 3-138(^табл = 19.443 ) , FраСТ = 1 . 95 ( ^абл = 8.67 ) .

Поверхности функций отклика, иллюстрирующие влияние условий термообработки на изменение адсорбционной поверхности, представлены на рис. 4.

А, ммоль/г

Рис. 5. Влияние условий термообработки на изменение адсорбционной емкости по Н для образцов, УНВ, полученных по методикам I (а), II (б)

Диапазон изменения поверхности для образцов, полученных по методике I, составлял 90-346 м2/г, а по методике II - 173-254 м2/г. Зависимости изменения удельной поверхности углеродного материала (измеренной по адсорбции азота) от температуры обработки имеют экстремальный характер с максимумом, приходящимся на 650°С. При этом наибольшая удельная поверхность для образцов, полученных по методике I, составляет ~346 м2/г; по методике II ~263 м2/г. Сопоставление результатов показало, что УМ, полученные по методике I, обладают большей поверхностью и имеют более широкие пределы значений удельной поверхности, чем материалы II, полученные по методике II.

Способность углеродных материалов сорбировать водород и диоксид углерода изучали статическим объемным методом. Изменение адсорбционной способности УМ по водороду в зависимости от условий процесса термообработки адекватно описывает математическая модель,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком