Adsorpcja dwutlenku węgla na węglach aktywnych otrzymanych z prekursorów polimerowych

• Autorzy: Choma J. , Stachurska K. , Osuchowski Ł. , Dziura A. , Jaroniec M.

Warianty tytułu

EN

Carbon dioxide adsorption on activated carbons obtained from polymeric precursors

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Badaniom poddano serię węgli aktywnych otrzymanych z następujących polimerów, jako prekursorów węglowych: polipirolu, sulfonowanej żywicy styrenowo-diwinylobenzenowej, poliwęglanu, włókien Kevlar® oraz poli(fluorku winylidenu). Polimery te karbonizowano w atmosferze przepływającego azotu w temperaturze 350÷700^oC, a następnie aktywowano za pomocą KOH w stosunku węgiel:KOH równym 1:5 lub 1:5 w temperaturze 700^oC. Otrzymane węgle aktywne miały powierzchnię właściwą zawartą w przedziale 1810÷2920 m²/g, całkowitą objętość porów w przedziale 0,87÷1,64 cm³/g, objętość mikroporów i małych mezoporów w przedziale 1,07÷1,47 cm³/g oraz objętość ultramikroporów w przedziale 0,44÷0,72 cm³/g. W celach porównawczych badano również handlowy węgiel aktywny Filtrasorb 400. Parametry struktury porowatej otrzymanych węgli aktywnych były średnio około dwukrotnie większe od parametrów struktury porowatej węgla handlowego. Węgle aktywne otrzymane z polimerów charakteryzowały się dobrymi właściwościami adsorpcyjnymi względem dwutlenku węgla w temperaturze 0^oC i pod ciśnieniem od około 2 mmHg do około 900 mmHg. Maksymalna ilość adsorbowanego dwutlenku węgla w tych warunkach zawarta była, dla wszystkich węgli otrzymanych z polimerów, w przedziale od 4,31 mmol/g do 7,58 mmol/g. Izotermy adsorpcji CO2 w całym przedziale ciśnień równowagowych opisano za pomocą równania Dubinina-Raduszkiewicza (DR), wyznaczając graniczną adsorpcję CO2 (ao) w mikroporach i stałą równania (B). Wykazano, że graniczna wartość adsorpcji CO2 wyznaczona za pomocą równania DR dobrze liniowo korelowała z objętością ultramikroporów wyznaczonych na podstawie funkcji rozkładu objętości porów metodą (DFT). Bardzo dobre właściwości adsorpcyjne otrzymanych węgli aktywnych z prekursorów polimerowych, w tym także z polimerów odpadowych, stwarzają potencjalne możliwości do adsorpcyjnego pochłaniania i przechowywania dwutlenku węgla.

EN

A series of activated carbons obtained from different polymers such as polypyrrole, sulfonated styrene divinylobenzene resin, polycarbonate, Kevlar® fibers, and poly(vinylidine fluoride) were included in the study. The polymeric precursors were carbonized in flowing nitrogen at a temperature from 350 to 700^oC and activated with KOH at the carbon:KOH ratio of 1:4 and 1:5 at 700^oC. Specific surface area of carbons obtained ranged from 1810 to 2920 m²/g, their total pore volume – from 0.87 to 1.64 cm³/g, volume of micropores and small mesopores – from 1.07 to 1.47 cm³/g, and finally the ultramicropore volume varied between 0.44 and 0.72 cm³/g. Additionally, the commercial activated carbon Filtrasorb 400 was studied for the comparison purposes. The porous structure parameters for the carbons studied were on average about twice as large as those of the commercial carbon Filtrasorb 400. The polymer-derived carbons showed high adsorption capacities toward carbon dioxide at 0^oC and under the pressure from about 2 to 900 mmHg. The maximum capacity for carbon dioxide adsorption under the aforementioned conditions varied from 4.31 to 7.58 mmol/g. The CO2 adsorption isotherms were fitted by the Dubinin-Radushkevich (DR) equation to evaluate the maximum CO2 uptake (ao) by the micropores as well as the B constant. It was demonstrated that the maximum CO2 uptake calculated by the DR equation correlated well with the volume of ultramicropores determined on the basis of pore size distribution by the DFT (density functional theory) analysis. Very good adsorption properties of the carbons obtained from polymeric precursors, including polymeric wastes, render them potentially useful materials for capture and storage of carbon dioxide.

Słowa kluczowe

PL

karbonizacja polimerów; aktywacja KOH; węgiel ultramikroporowaty

EN

polymers carbonization; KOH activation; ultramicroporous carbon

• Wydawca: Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski
• Czasopismo: Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 37, nr 4
• Strony: 3--8
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Choma J.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii, ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Stachurska K.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii, ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Osuchowski Ł.

• Wojskowy Instytut Chemii i Radiometrii, al. A. Chruściela „Montera” 105, 00-910 Warszawa

autor

Dziura A.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Nowych Technologii i Chemii, ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Jaroniec M.

• Kent State University, Department of Chemistry and Biochemistry, Kent, Ohio 44242

Bibliografia

• 1. R.D. PIACENTINI, A.S. MUJUMDAR: Climate change and drying of agricultural products. Drying Technology 2009, Vol. 27, pp. 629–635.
• 2. S.E. JEE, D.S. SHOLL: Carbon dioxide and methane transport in DDR zeolite: Insights from molecular simulations into carbon dioxide separation in small pore zeolites. Journal of the American Chemical Society 2009, Vol. 131, pp. 7896–7904.
• 3. J.C. HICKS, J.H. DRESE, D.J. FAUTH, M.L. GRAY, G. QI, C.W. JONES: Designing adsorbents for CO2 capture from flue gas-hyperbranched aminosilicas capable of capturing CO2 reversibly. Journal of the American Chemical Society 2008, Vol. 130, pp. 2902–2903.
• 4. J.R. LI, Y. MA, C. McCARTHY, J. SCULLEY, J. YU, H.K. JEONG, P.B. BALBUENA, H.C. ZHOU: Carbon dioxide capture-related gas adsorption and separation in metal-organic frameworks. Coordination Chemistry Reviews 2011, Vol. 255, pp. 1791–1823.
• 5. N. P. WICKRAMARATNE, M. JARONIEC: Importance of small micropores in CO2 capture by phenolic resin-based activated carbon spheres. Journal of Materials Chemistry A 2013, Vol. 1, pp. 112–116.
• 6. H. MARSH, F. RODRIGUEZ-REINOSO: Activated Carbon. Elsevier, Amsterdam 2006.
• 7. J. CHOMA, Ł. OSUCHOWSKI, M. JARONIEC: Właściwości i zastosowanie węgli aktywnych otrzymanych z materiałów polimerowych (Properties and applications of activated carbons obtained from polymeric materials). Ochrona Środowiska 2014, vol. 36, nr 2, ss. 3–16.
• 8. K. LASZLO, A. BOTA, L. NOGY, I. CABASSO: Porous carbon from polymer waste materials. Colloids and Surfaces A 1999, Vol. 151, pp. 311–320.
• 9. M.T. KARTEL, N.V. SYCH, M.M. TSYBA, V.V. STRELKO: Preparation of porous carbons by chemical activation of polyethylene-terephtalate. Carbon 2006, Vol. 44, pp. 1019–1022.
• 10. A. ESFANDIARI, T. KAGHAZCHI, M. SOLEIMANI: Preparation and evaluation of activated carbons obtained by physical activation of polyethyleneterephtalate (PET) wastes. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers 2012, Vol. 43, pp. 631–637.
• 11. W. BRATEK, A. SWIATKOWSKI, M. PAKULA, A. BINIAK, M. BYSTRZEJEWSKI, R. SZMIGIELSKI: Characteristic of activated carbon prepared from waste PET by carbon dioxide activation. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 2013, Vol. 100, pp. 192–198.
• 12. L. CZEPIRSKI, J. SZCZUROWSKI, M. BAŁYS, W. CIE-SIŃSKA, G. MAKOMASKI, J. ZIELIŃSKI: Pore structure of activated carbons from waste polymers. Inżynieria i Ochrona Środowiska 2013, vol. 16, ss. 353–359.
• 13. K. BRATEK, W. BRATEK, M. KALUZYNSKI: Carbon adsorbents from waste ion-exchange resin. Carbon 2002, Vol. 40, pp. 2213–2220.
• 14. J. CHOMA, M. MARSZEWSKI, L. OSUCHOWSKI, J. JAGIELLO, A. DZIURA, M. JARONIEC: Adsorption properties of activated carbons prepared from waste CDs and DVDs. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2015, Vol. 3, pp. 733–742.
• 15. J.M. DIAS, M.C.M. ALVIM-FERRAZ, M.F. ALMEIDA, J. RIVERA-UTRILLA, M. SANCHEZ-POLO: Waste materials for activated carbon preparation and its use in aqueous-phase treatment: A review. Journal Environ Manage 2007, Vol. 85, pp. 833–846.
• 16. J.A. LIBRA, K.S. RO, C. KAMMANN, A. FUNKE, N.D. BERGE, Y. NEUBAUER, M.M. TITRICI, O. BENS, J. KERN, K.H. EMMERICH: Hydrothermal carbonization of biomass residuals: A comparative review of the chemistry, processes and applications of wet and dry pyrolysis. Biofuels 2011, Vol. 2, pp. 89–124.
• 17. J. CHOMA, Ł. OSUCHOWSKI, M. MARSZEWSKI, M. JARONIEC: Highly microporous polymer-based carbons for CO2 and H2 adsorption. RSC Advances 2014, Vol. 4, pp. 14795–14802.
• 18. J. CHOMA, Ł. OSUCHOWSKI, A. DZIURA, W. KWIATKOWSKA-WÓJCIK, M. JARONIEC: Właściwości adsorpcyjne węgli aktywnych otrzymanych z włókien Kevlar® (Adsorption properties of active carbons obtained from Kevlar® fibers). Ochrona Środowiska 2014, vol. 36, nr 4, ss. 3–8.
• 19. S. BRUNAUER, P.H. EMMETT, E. TELLER: Adsorption of gases in multimolecular layers. Journal of the American Chemical Society 1938, Vol. 60, pp. 309–319.
• 20. S.J. GREGG, K.S.W. SING: Adsorption, Surface Area and Porosity. 2nd Ed. Academic Press, New York 1982.
• 21. J. JAGIELLO, J.P. OLIVIER: 2D-NLDFT adsorption models for carbon slit-shaped pores with surface energetical heterogeneity and geometrical corrugation. Carbon 2013, Vol. 55, pp. 70–80.
• 22. J. JAGIELLO, J. P. OLIVIER: Carbon slit pore model incorporating surface energetical heterogeneity and geometrical corrugation. Adsorption 2013, Vol. 19, pp. 777–783.
• 23. M.M. DUBININ: Physical adsorption of gases and vapors in micropores. Progress in Surface and Membrane Science 1975, Vol. 9, pp. 1–70.
• 24. Pure Component Properties (Queriable database). Chemical Engineering Research Information Center, Seoul 2007.
• 25. K.S.W. SING, D.H. EVERETT, R.A.W. HAUL, L. MOSCOU, R.A. PIEROTT, J. ROQUEROL, T. SIEMIENIEWSKA: Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface and porosity. Pure and Applied Chemistry 1985, Vol. 57, pp. 603–619.