吸附制冷用活性炭材料的研制及性能分析

贺德留，钱世江，金 钰



吸附制冷用活性炭材料的研制及性能分析

贺德留，钱世江，金 钰

（河南省林业科学研究院，郑州 450008）

利用先进的活性炭材料制造技术，通过优化调整活性炭的孔径分布和表面基团，制造出适合吸附制冷的活性炭材料。活性炭对制冷剂的吸附率达到90%以上。由于在成型过程中无需添加任何粘结剂，活性炭材料既能保持传热、传质相对都较好，吸附能力又无任何减弱。是一种较为理想的吸附制冷用固体吸附材料。

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国提到了战略的高度。吸附制冷是一种有效利用太阳能、废热的技术[1-2]。在未来，这一技术将得到广泛的应用。

在吸附制冷的应用中，活性炭材料是最普遍使用的固体吸附材料。很多研究机构和学者都作了大量的研究工作。然而，到目前为止，还未看到有关吸附制冷专用活性炭的研究报道。其实，活性炭由于制造工艺的不同，性质上存在着千差万别。只有具有合适的孔径分布和表面基团的活性炭材料，才有可能最大程度的提高吸附制冷的效率。

活性炭对物质分子的吸附包括：物理吸附和化学吸附。影响炭质材料吸附性能的因素包括：比表面积、孔径分布以及表面基团。比表面积代表着活性炭材料孔隙发达的程度，孔径分布是对活性炭孔隙范围的表征。只有合适的孔径分布才能极大的吸附某种物质的分子，合适的孔径分布越集中，对分子的吸附量就越大。而活性炭表面上的基团对于分子的吸附选择性影响很大。一般我们把活性炭简单的分为疏水性和亲水性活性炭。亲水性的活性炭含有比较多的极性基团，从而更适合对极性物质的吸附[3-5]。

在吸附制冷的应用中，与活性炭配对的最常用的制冷剂是甲醇。活性炭对甲醇的吸附能力直接关系到吸附制冷的效率。由于甲醇是极性有机物，普通的活性炭材料对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壳活性炭。由于是高温条件下制造，这种活性炭表面亲水基团失去很多，属于疏水性活性炭，它不太适合对极性物质的吸附，而且在加工成块状材料时，需要加入粘结剂，降低了本来就不高的吸附能力。

化学法尤其是磷酸法制造的活性炭，由于活化温度低，制造过程更多的保留了极性基团。工艺过程的空气氧化，不仅产生更多的亲水基团，而且使活性炭的孔隙更加发达。磷酸法颗粒活性炭的制造技术，采用了使物料个组分均匀化的加工技术，从而达到活性炭孔径分布更加集中，因而能够使活性炭对单一有机分子的吸附达到最大值。本研究制造出的颗粒活性炭对甲醇吸附率都在90%以上，最好的达到了1.4 g/g的水平。Rogerio G.Oliveira博士在“甲醇负载氯化锂的活性炭上的吸附特征”一文中，对该种活性炭做了充分的研究和肯定[6]。

1 试验材料及方法

1.1 材料

使用的材料为杉木屑，粒度10~40目。活化剂为85%磷酸（分析纯）。

1.2 实验装置及程序

涉及到的活性炭的孔径分布和比表面积，系用ST-2000比表面孔径测定仪测定。甲醇饱和吸附量的测定采用真空干燥器法，吸附状态：活性炭粒度50~100目，静态吸附环境温度25℃，吸附时间24小时。

活性炭材料的制造工序：将木屑与活化剂磷酸在一定条件下均匀混合半小时，然后进行塑化处理、机械均匀密实化处理、成型、（氧化）硬化、活化以及后处理等。

2 结果和讨论

从表1可以看出，对于甲醇吸附用活性炭，以木屑为原料，磷酸为活化剂，制造活性炭的最佳活化温度为500℃。经反复试验，500℃以后的活化及产品性能的测试也证实了这一点。

表1 活化温度对活性炭吸附甲醇性能的影响

备注：所使用的酸屑比为1.6︰1

从表2可以看出，酸屑比为1.6︰1时，无论是饱和吸附量和比表面积都是处于最佳值。在很多传统磷酸法制造木质颗粒活性炭过程中均采用这一酸屑比[7]。

表2 酸屑比对活性炭吸附甲醇性能的影响

备注：使用的酸浓度42 Be′活化温度500℃。

空气氧化有助于活性炭表面含氧基团的形成，大大增加了活性炭的亲水性，因此活性炭对极性物质甲醇的吸附能力也大大提高。从表3中可以看出，170 ℃的氧化效果明显高于120 ℃，主要是由于170 ℃条件下，正是木材组分在酸的作用下分解，分解的组分处于最活泼的状态，植物纤维原料酸水解制造糠醛正是在这一温度条件下。另外增加材料与空气接触氧化的表面积，能有效提高含氧基团的数量，并促进了活性炭孔隙的形成，增加了活性炭的比表面积和表面极性，从而也使得对甲醇的吸附量提高。

表3 空气氧化对活性炭吸附性能的影响

备注：所使用的酸浓度42Be′ 活化温度500℃。

3 结论

通过适当的工艺条件，采用磷酸法可以制造出对甲醇具有吸附性能很强的颗粒活性炭。这种工艺条件下制造的活性炭不仅对甲醇具有很高的吸附性能，同时它与氯化锂复合产物在甲醇为制冷剂的吸附制冷过程中也表现了极佳的性能。

[1] 李香荣，吴静怡，卢允庄，等. 固化块状活性炭-甲醇的吸附性能实验分析[J]. 工程热物理学报，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

（责任编辑：王文彬）