Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

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

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

Ochrona Środowiska

|

2017

|

Vol. 39, nr 3

4--7

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.

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.

2

Selektywność adsorpcji CO2/N2 na nanoporowatych węglach aktywnych

Choma J., Stachurska K., Jaroniec M.

Ochrona Środowiska

|

2016

|

Vol. 38, nr 3

3--8

PL

Niektóre polimery, w tym polimery odpadowe, mogą być bardzo dobrymi prekursorami do otrzymywania porowatych węgli aktywnych. W pracy przedstawiono wyniki badania adsorpcji CO2 i N2 w przedziale temperatur od 0C do 60C pod ciśnieniem 0,005÷1,2 bar (w przypadku CO2) i 0,001÷1,2 bar (w przypadku N2) na jednym mezoporowatym i pięciu mikroporowatych węglach aktywnych otrzymanych z polimerów. Izotermy adsorpcji CO2 i N2 aproksymowano za pomocą równania wirialego i wyznaczono wartości jego współczynników. Na podstawie wartości pierwszego wirialnego współczynnika wyznaczono stałe Henry’go adsorpcji CO2 i N2 w przedziale temperatur od 0C do 60C, które następnie zastosowano do obliczenia selektywności adsorpcji CO2 względem N2 na badanych węglach. Stwierdzono, że wartości stałej Henry’ego adsorpcji CO2 były o rząd wielkości większe od wartości stałej Henry’ego adsorpcji N2. Duża wartość wyznaczonej na podstawie tych stałych selektywności adsorpcji CO2 w stosunku do N2 wskazuje na znacznie silniejsze oddziaływanie CO2 niż N2 z powierzchnią węgla aktywnego. Oznacza to, że badane nanoporowate materiały węglowe mogą być z powodzeniem stosowane do adsorpcji CO2, w tym także do adsorpcji CO2 ze strumienia gazów spalinowych zawierających między innymi azot.

EN

Some polymers, including waste polymers, are very good precursors for synthesis of porous carbons. Data for adsorption of CO2 and N2 at temperatures in the range from 0oC to 60oC and pressures ranging from 0.005 to 1.2 bar and 0.001 to 1.2 bar for CO2 and N2, respectively are presented for one ordered mesoporous and five microporous activated carbons obtained from polymers. Adsorption isotherms of CO2 and N2 were approximated by means of virial equation and used to determine its coefficients. The first virial coefficient was used to determine the Henry’s constants for CO2 and N2 adsorption at temperatures from 0oC to 60oC, then applied for calculation of adsorption selectivity of CO2 over N2 for the carbons studied. It was established that the value of Henry’s constant for CO2 adsorption is an order of a magnitude larger than the corresponding value of Henry’s constant for N2 adsorption. High adsorption selectivity value obtained on the basis of these constants for CO2 compared to N2 indicate much stronger interaction of CO2 with a carbon surface than that of N2. This would indicate that the nanoporous carbons under studies can be readily applied for adsorption of CO2, including CO2 adsorption from a stream of flue gas containing nitrogen.

3

Opis adsorpcji dwutlenku węgla w różnych temperaturach na mikroporowatych węglach aktywnych

Choma J., Stachurska K., Dziura A., Jaroniec M.

Ochrona Środowiska

|

2016

|

Vol. 38, nr 1

3--8

PL

Wykazano, że węgle aktywne otrzymane w wyniku karbonizacji i aktywacji prekursorów polimerowych za pomocą wodorotlenku potasu lub szczawianu potasu charakteryzują się bardzo dobrze rozwiniętą strukturą porowatą, w tym w szczególności strukturą mikroporowatą. Otrzymane węgle aktywne miały powierzchnię właściwą (SBET) zawartą w przedziale od 1800 m2/g do około 3000 m2/g, całkowitą objętość porów w przedziale od 0,87 cm3/g do 1,64 cm3/g oraz objętość mikroporów w zakresie od 0,78 cm3/g do 1,47 cm3/g. W badaniach węgli aktywnych otrzymanych z polimerów, a także – w celach porównawczych – handlowego węgla Filtrasorb 400, wyznaczono izotermy adsorpcji CO2 w temperaturach 0°C, 10°C, 20°C, 25°C, 30°C, 40°C, 50°C i 60°C w przedziale ciśnień równowagowych od około 2 mmHg do około 900 mmHg. Izotermy te opisano za pomocą dwóch dobrze znanych równań z teorii objętościowego zapełniania mikroporów – Dubinina-Raduszkiewicza (DR) oraz Jarońca-Chomy (JC) z bardzo dobrą dokładnością. Na podstawie stwierdzonej liniowej zależności parametrów tych równań od temperatury można obliczyć izotermy adsorpcji CO2 na danym węglu aktywnym w dowolnej temperaturze zawartej w przedziale od 0°C do 60°C, a nawet w bliskiej odległości poza tym przedziałem. Najlepszymi właściwościami adsorpcyjnymi względem CO2 charakteryzował się węgiel aktywny otrzymany z polipirolu. Ilość zaadsorbowanego CO2 w temperaturze 0°C pod ciśnieniem około 900 mmHg wynosiła 7,58 mmol/g, natomiast w temperaturze 60°C pod tym samym ciśnieniem – 2,14 mmol/g.

EN

Active carbons obtained by carbonization and activation of selected polymers with potassium hydroxide and potassium oxalate were demonstrated to possess very well developed porous, in particular microporous, structures. Specific surface area (SBET) of the resulting carbons ranged from 1800 m2/g to about 3000 m2/g, total pore volume – from 0.87 cm3/g to 1.64 cm3/g and micropore volume – from 0.78 cm3/g to 1.47 cm3/g. CO2 adsorption isotherms were measured for polymer-derived active carbons and for comparison purposes for the commercial carbon Filtrasorb 400 at different temperatures: 0°C, 10°C, 20°C, 25°C, 30°C, 40°C, 50°C and 60°C in the pressure range from about 2 mmHg to about 900 mmHg. These experimental isotherms were very well described by using the two well-known equations in the theory of volume filling of micropores, namely Dubinin-Radushkevich (DR) and Jaroniec-Choma (JC) equations. The temperature-dependent linear relationships of the equation parameters can be used to calculate the CO2 adsorption for a given carbon at an arbitrary temperature between 0°C and 60°C, and even slightly beyond this range. The best adsorption properties with respect to CO2 were reported for the polypyrrole-derived active carbon. The amount of CO2 it adsorbed at 0°C and under 900 mmHg was 7.58 mmol/g, and 2.14 mmol/g at 60 °C.

4

Adsorpcyjne właściwości węgli aktywnych otrzymanych z mezoporowatego kopolimeru styrenowo-dwuwinylobenzenowego

Choma J., Osuchowski Ł., Stachurska K., Jaroniec M.

Ochrona Środowiska

|

2016

|

Vol. 38, nr 2

3--8

PL

Serię mezoporowatych węgli aktywnych otrzymano z kopolimerowej żywicy styrenowo-dwuwinylonenzenowej (Amberlit XAD-4, Rohm and Haas Co., USA) w wyniku jej karbonizacji w temperaturze 500oC lub 700oC, a następnie aktywacji w atmosferze CO2 w trzech temperaturach – 700oC, 750oC i 800oC, odpowiednio w ciągu 5 h, 3 h i 0,5 h. Otrzymany karbonizat oraz węgle aktywne charakteryzowały się powierzchnią właściwą w przedziale 350÷880 m2/g, objętością mikroporów 0,10÷0,32 cm3/g oraz – co najważniejsze – objętością mezoporów w przedziale od 0,56÷0,79 cm3/g. Mezoporowatość tych węgli oceniono na około 75%, co oznacza, że mezoporowata struktura żywicy przetrwała proces karbonizacji. Otrzymane węgle charakteryzowały się stosunkowo dobrymi właściwościami adsorpcyjnymi względem dwutlenku węgla (w temp. 0oC i 25oC) oraz benzenu (w temp. 20oC). Największa wartość adsorpcji CO2 w obu temperaturach wynosiła odpowiednio 2,37 mmol/g (ciśnienie 1,0 atm) i 1,38 mmol/g (ciśnienie 1,1 atm), natomiast w przypadku benzenu 8,45 mmol/g (w temp. 20oC pod ciśnieniem pary nasyconej). Szczególnie dobre właściwości adsorpcyjne dotyczyły benzenu, zatem węgle te mogą być użyteczne do adsorpcji lotnych związków organicznych.

EN

A series of mesoporous activated carbons was obtained from styrene-divinylbenzene copolymer (Amberlit XAD-4, Rohm and Haas Co., USA) upon carbonization at 500oC or 700oC followed by activation in CO2 at three temperatures: 700oC, 750oC and 800oC for 5 h, 3 h and 0.5 h, respectively. The resulting carbonizate and activated carbons were characterized by specific surface area varying from 350 to 880 m2/g, micropore volume – from 0.10 to 0.32 cm3/g, and, most importantly, the mesopore volume – from 0.56 to 0.79 cm3/g. The mesoporosity in the activated carbons was estimated at about 75%, indicating that the mesoporous resin structure was preserved during the carbonization process. The carbons received featured relatively good adsorption properties with respect to carbon dioxide (0oC and 25oC) and benzene (20oC). The highest adsorption obtained for CO2 was 2.37 mmol/g at 0oC (1.0 atm), and 1.38 mmol/g at 25oC (1.1 atm), while for benzene it was 8.45 mmol/g at 20oC (saturation vapor pressure). In particular, benzene adsorption capacity was very good, indicating that the activated carbons could be utilized for adsorption of volatile organic compounds.

5

Otrzymywanie i badanie właściwości adsorpcyjnych mikroporowatych kul węglowych

Choma J., Kloske M., Dziura A., Stachurska K., Jaroniec M.

Inżynieria i Ochrona Środowiska

|

2016

|

T. 19, nr 2

169--182

EN

The modified Stöber method involving a one-step simultaneous calcination and activation was used to obtain highly microporous carbon spheres. Resorcinol and formaldehyde were used as carbon precursors, potassium oxalate was employed as an activating agent and carbon source, and ammonia was used as a polymerization catalyst. The resulting spherical phenolic resins containing potassium salt were subjected to simultaneous carbonization and activation at 600°C for 4 hours in flowing nitrogen. However, non-activated carbon spheres (without potassium oxalate) were carbonized at 600°C for 2 hours in flowing nitrogen. The simultaneous carbonization and activation of polymeric spheres afforded carbon spheres with much higher microporosity than that in the spheres obtained without potassium salt. In the case of activated spheres each the specific surface area, the total pore volume and the micropore volume increased about twice. The obtained carbon spheres featured the specific surface area of 1490 m2 g-1, total pore volume of 0.74 cm3 g-1, the ultramicropore volume of 0.38 cm3 g-1 and the micropore volume of 0.61 cm3 g‒1. A well-developed microporosity, in particular ultramicroporosity (pores of sizes below 1.0 nm), has an essential influence of adsorption of CO2. The activated spheres adsorbed 7.67 mmol g-1 at 0°C and 1 atm. These spheres featured also high working capacity with respect to CO2 equal 4.23 mmol g-1 estimated as the difference between the gas uptake at 30°C and 1 atm and the gas uptake at 60°C and 0.0013 atm. The pore size distributions calculated from nitrogen adsorption isotherms at ‒196°C and from CO2 adsorption isotherms at 0°C by using the density functional theory for heterogeneous surfaces, 2D-NLDFT, are also shown. These distributions confirmed a significant development of microporosity in the activated carbon spheres. Also, the isosteric heat of CO2 adsorption was calculated by using CO2 adsorption isotherms measured in the temperature range from 0 to 60°C. The isosteric heat of adsorption on activated carbon spheres varies from 40 kJ mol-1 to about 25 kJ mol-1. This study shows that a simultaneous carbonization and activation of phenolic resin spheres affords carbon spheres with high microporosity suitable for CO2 capture at ambient conditions.

PL

Wykorzystując zmodyfikowaną metodę Stöbera, otrzymano, w jednoetapowym procesie karbonizacji z równoczesną aktywacją, wysoce mikroporowate kule węglowe. Rezorcyny i formaldehydu używano jako prekursorów węglowych, szczawianu potasu jako czynnika aktywującego i wody amoniakalnej jako katalizatora. Otrzymane kuliste żywice fenolowe zawierające sól potasową poddawano równocześnie jednoetapowej karbonizacji i aktywacji w temperaturze 600°C w ciągu 4 godzin w atmosferze przepływającego azotu. Natomiast nieaktywowane kule węglowe (bez szczawianu potasu) poddawano procesowi karbonizacji w temperaturze 600°C w ciągu 2 godzin w atmosferze przepływającego azotu. Karbonizacji połączonej z aktywacją kul polimerowych towarzyszyło znaczne rozwinięcie struktury mikroporowatej w porównaniu z kulami otrzymanymi bez soli potasowej. W przypadku aktywowanych kul nastąpił około dwukrotny wzrost powierzchni właściwej, całkowitej objętości porów i objętości mikroporów. Otrzymane kule węglowe charakteryzowały się powierzchnią właściwą równą 1490 m2 g‒1, całkowitą objętością porów 0,74 cm3 g-1, objętością ultramikroporów 0,38 cm3 g-1 oraz objętością mikroporów 0,61 cm3 g-1. Tak dobrze rozwinięta mikroporowatość, ze szczególnym uwzględnieniem ultramikroporowatości (dotyczącej porów o wymiarach mniejszych od 1,0 nm), miała istotny wpływ na adsorpcję CO2. Aktywowane kule adsorbowały CO2 w ilości 7,67 mmol g-1 w temperaturze 0°C pod ciśnieniem 1 atm. Kule te charakteryzowały się również dużą pojemnością roboczą względem CO2 równą 4,23 mmol g-1, obliczoną jako różnica adsorpcji CO2 w temperaturze 30°C pod ciśnieniem 1 atm i w temperaturze 60°C pod ciśnieniem 0,0013 atm. Pokazano też funkcje rozkładu objętości porów obliczone metodą z teorii funkcjonału gęstości dla niejednorodnych powierzchni 2D-NLDFT na podstawie adsorpcji N2 w temperaturze ‒196°C i CO2 w temperaturze 0°C. Funkcje te potwierdziły znaczące rozwinięcie struktury mikroporowatej aktywowanych kul węglowych. Wykorzystując doświadczalne izotermy adsorpcji CO2 w przedziale temperatur od 0 do 60°C, wyznaczono zależność izosterycznego ciepła adsorpcji. Dla aktywowanych kul węglowych ciepło to zmieniało się w przedziale od ok. 40 do ok. 25 kJ mol‒1. W tych badaniach pokazano, że równoczesna karbonizacja i aktywacja kul żywicy fenolowej daje kule węglowe o bardzo dobrze rozwiniętej mikroporowatości, odpowiednie do adsorpcji CO2.

6

Adsorpcja dwutlenku węgla na węglach aktywnych otrzymanych z prekursorów polimerowych

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

Ochrona Środowiska

|

2015

|

Vol. 37, nr 4

3--8

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÷700oC, a następnie aktywowano za pomocą KOH w stosunku węgiel:KOH równym 1:5 lub 1:5 w temperaturze 700oC. 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 0oC 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 700oC and activated with KOH at the carbon:KOH ratio of 1:4 and 1:5 at 700oC. 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 0oC 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.

7

Moc mieszania w mieszalniku z dwoma mieszadłami zamocowanymi na wspólnym wale

Broniarz-Press L., Stachurska K., Stachurska M.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2013

|

Nr 5

405--407

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu odległości między dwoma mieszadłami zamocowanymi na wspólnym wale na moc mieszania układów woda-olej 20-30, woda-olej 20-70 i minimalną częstość obrotów mieszadła. Badania wykazały, iż minimalna częstość obrotów mieszadła zależy od odległości pomiędzy mieszadłami oraz rodzaju stosowanego mieszadła. Ponadto stwierdzono, iż moc mieszania zależy od rodzaju stosowanego mieszadła. Największa wartość mocy mieszania charakteryzowała układ mieszadeł 2RT.

EN

Research results dealing with the effect of distance between two impellers mounted on the common shaft on mixing power in water - oil 20-30 and wateroil 20-70 systems, and the minimal agitator speed needed for emul- sification are presented in the paper. It is shown that the minimal agitator speed depends on the distance between two impellers and a type of agitators. It was stated that mixing power depends on a type of agitators used. Mixing power achieved the biggest value for the system of 2RT impellers.