微波场下椰壳基炭材料孔隙调控

炭材料结构调控技术和基础理论是材料学科重要的研究方向。目前，对微波加热制备炭材料的机理研究较少，仅限于制备和再生，微波场中炭材料孔隙调控的技术和基础理论很少涉及，另外，改装的家用微波炉，存在诸多缺点。本项目拟用自行研制的连续可控的微波实验装置研究微波加热固体废弃物-椰子壳制备多孔炭新工艺；研究微波场下，炭化、物理及化学活化、催化活化、模板炭化及水热炭化等因素对炭材料性能的影响规律，并形成微波场中炭材料结构调控新技术；采用物理吸附、SEM、TEM、XRD、XPS、FTIR、激光拉蔓光谱、ζ电位、 Boehm滴定等手段表征多孔炭的结构和表面化学性质，获得炭材料孔结构、微观结构、表面化学性质与性能的关系，形成微波场中炭材料孔隙调控基础理论。项目的开展符合我国当前节能降耗、清洁生产、可持续发展的要求，对于推进微波在材料制备及资源综合利用，特别是定向制备具有特定孔结构的炭材料具有重要意义。

本项目以氯化锌、磷酸、氢氧化钾为活化剂（化学活化），分别在常规加热和在微波场下，研究了浸渍时间、活化剂浓度、活化时间、活化温度（或微波功率）对椰壳基活性炭产品性能（碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、得率）的影响规律，采用正交实验得到了最佳工艺条件；以水蒸气、二氧化碳为活化剂（物理活化），研究了活化剂流量、活化时间、活化温度（微波功率）对椰壳基活性炭产品性能的影响规律，得到了最佳工艺条件。结果表明，制备的椰壳基活性炭达到了相关的国家标准，与常规加热方法相比，在微波场下制备，流程短、高效、时间缩短了60-94％。分析了椰壳基活性炭样品的吸附等温线，发现使用同样的活化剂，微波场下所制取椰壳基活性炭，其吸附等温线的“脱尾”现象没有常规加热一步炭化法的明显，吸附平台微波场下的要小，表明微波场下制取的椰壳基活性炭其微孔结构发达，中大孔含量较低；同时采用D-A方程对两种方法制取椰壳基活性炭的Astakhov指数进行了分析，发现二氧化碳做活化剂时，孔径分布最窄；对于氯化锌、氢氧化钾和水蒸气作活化剂制取椰壳基活性炭时，微波场下制取椰壳基活性炭的孔分布较窄；采用H-K方程对两种方法制取椰壳基活性炭的微孔进行了表征，发现采用同样活化剂，微波场下所制取椰壳基活性炭的极微孔所占比例较大；采用密度理论函数对两种方法制取活性炭的孔径分布进行了表征，发现在微波场下制取椰壳基活性炭的微孔比例较大，中孔、大孔含量相对较小。孔结构研究表明，采用同样的活化剂，微波场下所制取椰壳基活性炭的微孔结构发达，中孔、大孔含量较小。项目开展完成了申请时的任务指标，发表学术论文9篇，被SCI收录5篇、EI收录2篇，申请专利3项，培养研究生3名。项目的研究成果对于推进微波在材料制备及资源综合利用，特别是定向制备具有特定孔结构的炭材料具有重要意义。