Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (1), 22-37.

Особливості адсорбції парів води на мікро- і мезопористих активованих вугіллях



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.01.022

N. V. Guzenko, P. Lodewyckx, K. László, M. Thommes

Анотація


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.


Ключові слова


активоване вугілля; адсорбція азоту; характеристика структури пор; первинні адсорбційні центри; ізотерми адсорбції води

Повний текст:

PDF

Посилання


1. Dubinin M.M. Water vapor adsorption and the microporous structures of carbonaceous adsorbents. Carbon. 1980. 18(5): 335. https://doi.org/10.1016/0008-6223(80)90007-X

2. Vartapetyan R.Sh., Voloshchuk A.M. The mechanism of the adsorption of water molecules on carbon adsorbents. Russ. Chem. Rev. 1995. 64(11): 985. https://doi.org/10.1070/RC1995v064n11ABEH000189

3. Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. 2 ed. (London: Academic Press, 1982).

4. Liu L., Tan S.J., Horikawa T., Do D.D., Nicholson D., Liu J. Water adsorption on carbon - A review. Adv. Colloid Interface Sci. 2017. 250: 64. https://doi.org/10.1016/j.cis.2017.10.002

5. Marban G., Fuertes A. Co-adsorption of n-butane/water vapour mixtures on activated carbon fibre-based monoliths. Carbon. 2004. 42(1): 71. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2003.09.018

6. Muller E.A., Hung F.R., Gubbins K.E. Adsorption of water vapor – methane mixtures on activated carbons. Langmuir. 2000. 16(12): 5418. https://doi.org/10.1021/la991312m

7. Pires J., Pinto M.L., Carvalho A., Carvalho M.B. Assessment of hydrophobic-hydrophilic properties of microporous materials from water adsorption isotherms. Adsorption. 2003. 9(4): 303. https://doi.org/10.1023/A:1026219813234

8. Slasli A.M., Jorge M., Stoecki F., Seaton N.A. Water adsorption by activated carbons in relation to their microporous structure. Carbon. 2003. 41(3): 479. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(02)00364-0

9. Wood G.O., Lodewyckx P. Correlation for high humidity corrections of rate coefficients for adsorption of organic vapors and gases on activated carbons in air-purifying respirator cartridges. The International Society for Respiratory Protection. 2002. P. 58.

10. Velasco L.F., Berezovska I., Boutillara Y., Lodewyckx P. The use of organic vapour preadsorption to understand water adsorption on activated carbons. Microporous Mesoporous Mater. 2017. 241: 21. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2016.12.005

11. Mahle J., Friday D. Water adsorption equilibria on microporous carbons correlated using a modification of the Sircar isotherm. Carbon. 1989. 27(6): 835. https://doi.org/10.1016/0008-6223(89)90033-X

12. Cossarutto L., Zimny T., Kaczmarczyk J., Siemieniewska T., Bimer J., Weber J.V. Transport and sorption of water vapour in activated carbons. Carbon. 2001. 39(15): 2339. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(01)00065-3

13. Nguyen Van T., Horikawa T., Do D.D., Nicholson D. Water as a potential molecular probe for functional groups on carbon surfaces. Carbon. 2014. 67: 72. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.09.057

14. Slasli A.M., Jorge M., Stoeckli F., Seaton N.A. Modelling of water adsorption by activated carbons: effects of microporous structure and oxygen content. Carbon. 2004. 42(10): 1947. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.03.034

15. Brennan J.K., Bandosz T.J., Thomson K.T., Gubbins K.E. Water in porous carbons. Colloids Surf. A. 2001. 187–188: 539. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(01)00644-6

16. Zeng Y., Prasetyo L., Nguyen V.T., Horikawa T., Do D.D., Nicholson D. Characterization of oxygen functional groups on carbon surfaces with water and methanol adsorption. Carbon. 2015. 81: 447. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.09.077

17. Horikawa T., Tan S.(J.), Do D.D., Sotowa K.-I., J. Alcántara-Avilaa R., Nicholson D. Temperature dependence of water adsorption on highly graphitized carbon black and highly ordered mesoporous carbon. Carbon. 2017. 124: 271. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.08.067

18. Sing K.S.W., Everett D.H., Haul R.A.W., Moscou L., Pierotti R.A., Rouquerol J., Siemieniewska T. Reporting Physisorption Data for Gas/Solid Systems with Special Reference to the Determination of Surface Area and Porosity. Pure Appl. Chem. 1985. 57(4): 603. https://doi.org/10.1351/pac198557040603

19. Kowalczyk P., Kaneko K., Solarz L., Terzyk A.P., Tanaka H., Holyst R. Modeling of the hysteresis phenomena in finite-sized slitlike nanopores. Revision of the resent results by rigorous numerical analysis. Langmuir. 2005. 21(14): 6613. https://doi.org/10.1021/la0501132

20. Freeman J.J., Tomlinson J.B., Sing K.S.W., Theocharis C.R. Adsorption of nitrogen and water vapour by activated Nomex chars. Carbon. 1995. 33(8): 795. https://doi.org/10.1016/0008-6223(95)00005-X

21. Peri-Grujic A.A., Neskovic O.M., Veljkovic M.V., Lausevic M.D., Lausevic Z.V. A TPD-MS study of glassy carbon surfaces oxidized by CO2 and O2. J. Serb. Chem. Soc. 2002. 67(11): 761. https://doi.org/10.2298/JSC0211761P

22. Avraham I., Danon A., Koresh J.E. Study of carbon molecular sieve fibres by atmospheric TPD-MS of H2O, CO, CO2. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1998. 94(13): 1869. https://doi.org/10.1039/a801056k

23. Valdes H., Sanchez-Polo M., Rivera-Utrilla J., Zaror C.A. Effect of Ozone Treatment on Surface Properties of Activated Carbon. Langmuir. 2002. 18(6): 2111. https://doi.org/10.1021/la010920a

24. Fabregat A., Bengoa C., Font J., Stueber F. Reduction, modification, and valorization of sludge: removals. (London: IWA Publishing, 2011).

25. Frost R.L., Weier M.L. Thermal treatment of whewellite - a thermal analysis and Raman spectroscopic study. Thermochimica Acta. 2004. 409(1): 79. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(03)00332-0

26. Vickerman J.C., Gilmore I.S. Surface Analysis: the principal techniques. 2 ed. (Wiley, 2009). https://doi.org/10.1002/9780470721582

27. Nalwa H.S. Experimental methods in the physical sciences. Advances in surface science. V. 38. (Academic press, 2001).

28. Herman G.S., Dohna’lek Z., Ruzycki N., Diebold U. Experimental Investigation of the Interaction of Water and Methanol with Anatase-TiO2. J. Phys. Chem. B. 2003. 107(12): 2788. https://doi.org/10.1021/jp0275544

29. Kerber S.J., Bruckner J.J., Wozniak K., Seal S., Hardcastle S., Barr T.L. The nature of hydrogen in x-ray photoelectron spectroscopy: General patterns from hydroxides to hydrogen bonding. J. Vac. Sci. Technol. A. 1996. 14(3): 1314. https://doi.org/10.1116/1.579947

30. Ketteler G., Ashby P., Mun B.S., Ratera I., Bluhm H., Kasemo B., Salmeron M. In situ photoelectron spectroscopy study of water adsorption on model biomaterial surfaces. Journal of Physics: Condensed Matter. 2008. 20(18): 184024. https://doi.org/10.1088/0953-8984/20/18/184024

31. Winter B., Aziz E.F., Hergenhahn U., Faubel M., Hertel I.V. Hydrogen bonds in liquid water studied by photoelectron spectroscopy. J. Chem. Phys. 2007. 126(12): 124504. https://doi.org/10.1063/1.2710792

32. Simonsen M.E., Sonderby C., Li Zh., Sogaard E.G. XPS and FT-IR investigation of silicate polymers. J. Mater. Sci. 2009. 44(8): 2079. https://doi.org/10.1007/s10853-009-3270-9

33. Park Soo-Jin, Kim Ki-Seok. Surface Characterization of Carbon Materials by X-ray Photoelectron Spectroscopy. Microscopy: Science, Technology, Applications and Education. 2010. 3: 1905.

34. Matsuoka T., Hatori H., Kodama M., Yamashita J., Miyajima N. Capillary condensation of water in the mesopores of nitrogen-enriched carbon aerogels. Carbon. 2004. 42(11): 2346. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.04.031

35. Bandosz T., Jagiello J., Schwarz J. Effect of surface chemistry on sorption of water and methanol on activated carbons. Langmuir. 1996. 12(26): 6480. https://doi.org/10.1021/la960340r

36. Kumar K.V., Preuss K., Guo Z.X., Titirici M.M. Understanding the Hydrophilicity and Water Adsorption Behavior of Nanoporous Nitrogen-Doped Carbons. J. Phys. Chem. C. 2016. 120(32): 18167. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b06555

37. Morishige K., Kawai T., Kittaka S. Capillary Condensation of Water in Mesoporous Carbon. J. Phys. Chem. C. 2014. 118(9): 4664. https://doi.org/10.1021/jp4103564

38. Do D.D., Do H.D. A model for water adsorption in activated carbon. Carbon. 2000. 38(5): 767. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(99)00159-1

39. Kimura T., Kanoh H., Kanda T., Ohkudo T., Hattori Y., Higaonna Y., Denoyel R., Kaneko K. Cluster-associate filling of water in hydrophobic carbon micropores. J. Phys. Chem. B. 2004. 108(37): 14043. https://doi.org/10.1021/jp048934n

40. Kaneko K., Hanzawa Y., Iiyama T., Kanda T., Suzuki T. Cluster-mediated water adsorption on carbon nanospaces. Adsorption. 1999. 5(1): 7. https://doi.org/10.1023/A:1026471819039

41. Ohba T., Kanoh H., Kaneko K. Cluster-growth-induced water adsorption in hydrophobic carbon nanopores. J. Phys. Chem. B. 2004. 108(39): 14964. https://doi.org/10.1021/jp048323v

42. Hanzawa Y., Kaneko K. Lack of a predominant adsorption of water on carbon mesopores. Langmuir. 1997. 13(22): 5802. https://doi.org/10.1021/la970498r




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.01.022

Copyright (©) 2019 N. V. Guzenko, P. Lodewyckx, K. László, M. Thommes