Analiza porowatości materiałów węglowych z jednoczesnym wykorzystaniem danych adsorpcji azotu i dwutlenku węgla

• Autorzy: Choma J. , Stachurska K. , Kloske M. , Dziura A. , Jagiełło J. , Jaroniec M.

Warianty tytułu

EN

Analysis of carbon materials porosity by simultaneous use of adsorption data for nitrogen and carbon dioxide

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wiedza o strukturze porowatej węgli aktywnych, w tym o ultramikroporach, mikroporach i mezoporach, ma zasadnicze znaczenie w zastosowaniu tych materiałów do różnych celów. Zazwyczaj charakterystyka tych materiałów obejmuje wyznaczenie powierzchni właściwej, objętości porów i funkcji rozkładu objętości porów. Tę ostatnią funkcję wyznacza się na podstawie doświadczalnej izotermy adsorpcji azotu w temperaturze –196°C w przedziale ciśnień względnych od około 10–7 do około 1,0. W pracy wykazano, że interesujące wyniki dotyczące funkcji rozkładu objętości porów można otrzymać, jeśli wykorzystuje się doświadczalną izotermę adsorpcji CO2 (w temp. 0°C i ciśnieniu do 1 atm) lub jednocześnie izotermy adsorpcji N2 i CO2. W celu ilustracji rozwiązania tego problemu, w pracy obliczono funkcje rozkładu objętości porów trzech mikroporowatych węgli otrzymanych z prekursorów polimerowych oraz jednego uporządkowanego węgla mezoporowatego otrzymanego metodą miękkiego odwzorowania. Obliczenia funkcji rozkładu wykonano za pomocą najnowszej wersji programu SAIEUS, stosując metodę z teorii funkcjonału gęstości (NLDFT) w przypadku niejednorodnych, porowatych materiałów węglowych. Wykazano, że jednoczesne wykorzystanie izoterm adsorpcji N2 i CO2 do wyznaczania funkcji rozkładu porów pozwala na rzeczywistą ocenę porowatości materiałów węglowych.

EN

Knowledge of porous structure of carbons, including ultramicropores, micropores and mesopores, is of great importance in application of these materials for different purposes. Usually, their characteristics includes determination of specific surface area, pore volume and pore size distribution. The latter is often calculated on the basis of experimental nitrogen adsorption isotherm at –196 oC for relative pressures ranging from about 10–7 up to 1.0. It has been determined that experimental CO2 adsorption isotherm alone (0 oC, up to 1 atm), or together with N2 adsorption isotherm, may be applied to yield interesting results of pore size distributions. For illustration purposes, the pore size distributions were calculated for the three polymer-obtained microporous carbons and one ordered mesoporous carbon obtained by soft templating. The calculations were performed using the latest version of the SAIEUS program based on the Nonlinear Method in the Density Functional Theory (NLDFT) for the non-uniformly porous carbon materials. It has been shown that the simultaneous use of N2 and CO2 adsorption isotherms for calculation of the pore size distribution allows for a realistic assessment of carbon materials porosity.

Słowa kluczowe

PL

adsorpcja; węgiel aktywny; izoterma adsorpcji; N2; CO2; funkcja rozkładu objętości porów

EN

adsorption; active carbon; adsorption isotherm; N2; CO2; pore size distribution

• Wydawca: Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych, Oddział Dolnośląski
• Czasopismo: Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 39, nr 3
• Strony: 4--7
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Choma J.

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

autor

Stachurska K.

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

autor

Kloske M.

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

autor

Dziura A.

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

autor

Jagiełło J.

• Micromeritics Instrument Corporation, Norcross, Georgia 30093, USA

autor

Jaroniec M.

• Kent State University, Department of Chemistry and Biochemistry, Kent, Ohio 44-242, USA

Bibliografia

• 1. J. JAGIELLO, C. ANIA, J. B. PARRA, C. COOK: Dual gas analysis of microporous carbons using 2D-NLDFT heterogeneous surface model and combined adsorption data of N2 and CO2. Carbon 2015, Vol. 91, pp. 330–337.
• 2. F. RODRIGUEZ-REINOSO, J. de D. LOPEZ-GONZALEZ, C. BERENGUER: Activated carbons from almond shells – I. Preparation and characterization by nitrogen adsorption. Carbon 1982, Vol. 20, pp. 513–518.
• 3. A. WAHBY, J. SILVESTRE-ALBERO, A. SEPULVEDAESCRIBANO, F. RODRIGUEZ-REINOSO: CO2 adsorption on carbon molecular sieves. Microporous and Mesoporous Materials 2012, Vol. 164, pp. 280–287.
• 4. B. GUO, L. CHANG, K. XIE: Adsorption of carbon dioxide on activated carbon. Journal of Natural Gas Chemistry 2006, Vol. 15, pp. 223–229.
• 5. D. CAZORLA-AMOROS, J. ALCANIZ-MONGE, A. LINARES-SOLANO: Characterization of activated carbon fibers by CO2 adsorption. Langmuir 1996, Vol. 12, pp. 2820–2824.
• 6. J. JAGIELLO, M. THOMMES: Comparison of DFT characterization methods based on N2, Ar, CO2 and H2 adsorption applied to carbons with various pore size distributions. Carbon 2004, Vol. 42, pp. 1227–1232.
• 7. M. JARONIEC, R. MADEY: Physical Adsorption on Heterogeneous Solids. Academic Press, Amsterdam 1988.
• 8. W. RUDZINSKI, D. H. EVERETT: Adsorption of Gases on Heterogeneous Surfaces. Academic Press, London 1991.
• 9. G. F. CEROFOLINI, N. RE: Kinetics of desorption from heterogeneous surfaces. Langmuir 1997, Vol. 13, pp. 990–994.
• 10. L. B. HARRIS: Adsorption on a patchwise heterogeneous surface: Mathematical analysis of the step-function approximation to the local isotherm. Surface Science 1968, Vol. 10, pp. 129–145.
• 11. W. RUDZINSKI, M. JARONIEC: Adsorption on heterogeneous surfaces: A new method for evaluating the energy distribution function. Surface Science 1974, Vol. 42, pp. 552–564.
• 12. M. JARONIEC: Adsorption on heterogeneous surfaces: The exponential equation for the overall adsorption isotherm. Surface Science 1975, Vol. 50, pp. 553–564.
• 13. J. JAGIELLO, G. LIGNER, E. PAPIRER: Characterization of silicas by inverse gas chromatography at finite concentration: Determination of the adsorption energy distribution function. Journal of Colloidal and Interface Science 1990, Vol. 137, pp. 128–136.
• 14. C. H. W. VOS, L. K. KOOPAL: Surface heterogeneity analysis by gas adsorption: Improved calculation of the adsorption energy distribution function using a new algorithm named CAESAR. Journal of Colloid and Interface Science 1985, Vol. 105, pp. 183–196.
• 15. M. V. SZOMBATHELY, P. BRÄUER, M. JARONIEC: The solution of adsorption integral equations by means of the regularization method. Journal of Computational Chemistry 1992, Vol. 13, pp. 17–32.
• 16. J. CHOMA, K. STACHURSKA, Ł. OSUCHOWSKI, A. DZIURA, M. JARONIEC: Adsorpcja dwutlenku węgla na węglach aktywnych otrzymanych z prekursorów polimerowych (Carbon dioxide adsorption on activated carbons obtained from polymeric precursors). Ochrona Środowiska 2015, vol. 37, nr 4, ss. 3–8.
• 17. J. CHOMA, Ł. OSUCHOWSKI, M. MARSZEWSKI, A. DZIURA, M. JARONIEC: Activation of Kevlar®-derived carbon fibers for CO2 and VOC adsorption. RSC Advances 2014, Vol. 4, pp. 14895–14802.
• 18. J. CHOMA, A. KALINOWSKA, K. JEDYNAK, M. JARONIEC: Ocena powtarzalności syntezy i właściwości adsorpcyjnych mezoporowatych uporządkowanych węgli otrzymanych metodą miękkiego odwzorowania (Reproducibility of the synthesis and adsorption properties of ordered mesoporous carbons obtained by the soft-templating method). Ochrona Środowiska 2012, vol. 34, nr 3, ss. 3–10.
• 19. J. LIU, S.Z. QIAO, H. LIU, J. CHEN, A. ORPE, D. ZHAO, G. Q. LU: Extension of the Stöber method to the preparation of monodisperse resorcinol-formaldehyde resin polymer and carbon spheres. Angewandte Chemie International Edition 2011, Vol. 50, pp. 5947–5951.
• 20. 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.
• 21. J. JAGIELLO, J. P. OLIVIER: Carbon slit pore model incorporating surface energetical heterogeneity and geometrical corrugation. Adsorption 2013, Vol. 19, pp. 777–783.
• 22. J. JAGIELLO, J. P. OLIVIER: A simple two-dimensional NLDFT model of gas adsorption in finite carbon pores. Application to pore structure analysis. Journal of Physical Chemistry C 2009, Vol. 113, pp. 19382–19385.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).