The features of water vapour adsorption on micro- and mesoporous activated carbons

Abstract

Дослідження адсорбційної поведінки молекул води на поверхні пористих вугільних матриць має велике значення, оскільки вологість зовнішнього середовища може помітно впливати на адсорбційну здатність вугільних сорбентів по відношенню до тих чи інших речовин. Крім того, вимірювання ізотерм адсорбції води може бути використано для аналізу пористої структури активованого вугілля (АУ). В роботі досліджено взаємозв'язок між адсорбційними характеристиками серії зразків активованого вугілля (Norit, Нідерланди) з близькими значеннями величин питомої площі поверхні, але різним розподілом пор за розмірами (різним об'ємом мікро- та мезопор), по відношенню до води та їх внутрішньою структурою, визначеною на основі ізотерм адсорбції азоту, а також хімічним складом та природою первинних адсорбційних центрів поверхні. Методами термогравіметричного аналізу (ТГА), термо-програмованої десорбційної мас-спектрометрії (ТПД-МС) та рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФС) визначено якісний та кількісний склад поверхні досліджуваних зразків; показано, що мезопористі АУ містять більшу загальну кількість поверхневих кисневмісних комплексів, ніж мікропористі зразки. Адсорбційні та десорбційні гілки ізотерм адсорбції води для мікропористих зразків активованого вугілля наближаються одна до одної і дають плато при високому відносному тиску. При цьому, адсорбційна ємність мікропористих зразків по відношенню до води відповідає їх об'єму мікропор, визначеному з ізотерм адсорбції азоту. На відміну від цього, для мезопористого вугілля при високому відносному тиску спостерігається поступове наростання поглинання води та існування широких петель гістерезису. Більш того, максимальні значення адсорбції води в цьому випадку значно перевищують обсяги мікропор і, по всій видимості, обумовлені капілярною конденсацією в нижніх межах діапазону мезопор. Тим не менше, загальні об'єми поглинання води як для мікро-, так і для мезопористих зразків активованого вугілля значно менші, ніж загальний об’єм пор, визначений з ізотерм адсорбції азоту. Це може бути пов’язано з механізмом кластерного заповнення пор, в якому густина води менше, ніж її об’ємна густина. Крім того, ймовірно, вода не здатна конденсуватися у мезопорах великого розміру.