Формування мікропористої структури довгополуменевого вугілля при лужній активації. Вплив температури
The purpose of this work is to study the influence of the activation temperature on the porous structure characteristics of carbonaceous materials (CMs) prepared from long-flame coal under thermoprogrammed activation at the KОН/coal ratio RKOH = 1.0 g/g.The CMs were obtained in argon in three stages...
Gespeichert in:
| Datum: | 2024 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/725 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543958230892544 |
|---|---|
| author | Kucherenko, V. O. Таmarkina, Yu. V. Abakumov, O. O. |
| author_facet | Kucherenko, V. O. Таmarkina, Yu. V. Abakumov, O. O. |
| author_sort | Kucherenko, V. O. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-06-19T09:47:01Z |
| description | The purpose of this work is to study the influence of the activation temperature on the porous structure characteristics of carbonaceous materials (CMs) prepared from long-flame coal under thermoprogrammed activation at the KОН/coal ratio RKOH = 1.0 g/g.The CMs were obtained in argon in three stages: 1) heating (4 grad/min) to the specified temperature t in the range of 350–825 °С; 2) isothermal exposure 1 h; 3) cooling, washing from alkali and drying. Samples are denoted as CM(t). The CM yield (Y, %) and CMs elemental composition are determined. Based on low-temperature (77 K) nitrogen adsorption-desorption isotherms, integral and differential dependences of the specific surface area SDFT (m2/g) and pore volume V (cm3/g) on the average pore diameter (D, nm) were calculated by 2D-NLDFT-НS method (SAIEUS program). They were used to define volumes of ultramicropores (Vumi), supermicropores (Vsmi) and micropores (Vmi). The total pore volume V was calculated from the nitrogen amount adsorbed at a relative pressure p/p0 ~ 1.0. The S values of ultramicropores (Sumi), supermicropores (Ssmi) and micropores (Smi) were similarly determined.The CM yield was established to decrease linearly (R2 = 0.979) from 70.2 to 45.3 % with an increase in temperature from 350 to 825 °С. The carbon content decreases to a minimum value at 500 °С (72.6 %), and then increases to a maximum value (87.5 %) at 825 °С; the oxygen content changes antibatically. Two temperature regions were identified: region I (? 500 °С) of increasing the oxygen content due to reactions in which KOH acts as a donor of O atoms; region II (? 500 °C) of dominating the thermal destruction of functional groups (carboxyl, lactone, ester) with the release of CO and CO2, and condensation increasing the size of polyarenes of the CM secondary framework and formsng single Сar-Саr bonds between them. The CM(350) sample was found to contain only mesopores (D ? 10 nm) and macropores. An activation temperature increase to 400 °C initiates the additional formation of small-diameter micropores and mesopores. In samples CM(400) - CM(825), the main portion of newly formed pores falls on pores with D ? 5 nm. With increasing temperature, the micropores volume increases almost linearly (R2 = 0.992). The Vumi and Vsmi volumes increase up to 600 °C. At higher temperatures the ultramicropores volume decreases due to transforming ultramicropores (D ? 0.7 nm) into supermicropores (D = 0.7–2.0 nm). Portion of the ultramicropores volume changes with a maximum (23.9 %) in the CM(600) sample. The SBET specific surface area linearly (R2 = 0.992) increases with temperature up to 1729 m2/g. The SDFT values are close to SBET, but noticeably lower (1514–1530 m2/g) for CM(785)-CM(825). The micropores specific surface area increases to 1415 m2/g, and ultramicropore surface Sumi changes extremely with a maximum (526 m2/g) for the CM(600) sample, which should be expected based on the temperature dependence of the Vumi parameter. The decrease in Sumi values after the maximum is compensated by an increase in the supermicropore surface. Such an effect - the redistribution of pores by size in the microporous range (D ? 2 nm) with an increase in the alkaline activation temperature is not described in the literature. The portion of the micropores surface is dominant (92.6–97.0 %) in samples prepared at t ? 450 °C. The portion of the ultramicropore surface is maximum (56.3 %) in CM(500). Pores are revealed that do not form at all at 450–750 °C. These are supermicropores (D = 0.96–2.00 nm) and mesopores of small diameters (D = 2.0–2.82 nm). This effect was assumed to be due to the properties of the CM supramolecular framework, which is formed from polyarene fragments of the initial and activated coals having polyarenes with diameters of the same order (1.68–2.54 nm). |
| first_indexed | 2025-09-24T17:45:55Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-725 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-09-24T17:45:55Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-7252025-06-19T09:47:01Z Formation of long-flame coal microporous structure under alkali activation. Influence of temperature Формування мікропористої структури довгополуменевого вугілля при лужній активації. Вплив температури Kucherenko, V. O. Таmarkina, Yu. V. Abakumov, O. O. long-flame coal alkali activation carbonaceous material microporosity influence of activation temperature довгополуменеве вугілля лужна активація вуглецевий матеріал мікропористість вплив температури активації The purpose of this work is to study the influence of the activation temperature on the porous structure characteristics of carbonaceous materials (CMs) prepared from long-flame coal under thermoprogrammed activation at the KОН/coal ratio RKOH = 1.0 g/g.The CMs were obtained in argon in three stages: 1) heating (4 grad/min) to the specified temperature t in the range of 350–825 °С; 2) isothermal exposure 1 h; 3) cooling, washing from alkali and drying. Samples are denoted as CM(t). The CM yield (Y, %) and CMs elemental composition are determined. Based on low-temperature (77 K) nitrogen adsorption-desorption isotherms, integral and differential dependences of the specific surface area SDFT (m2/g) and pore volume V (cm3/g) on the average pore diameter (D, nm) were calculated by 2D-NLDFT-НS method (SAIEUS program). They were used to define volumes of ultramicropores (Vumi), supermicropores (Vsmi) and micropores (Vmi). The total pore volume V was calculated from the nitrogen amount adsorbed at a relative pressure p/p0 ~ 1.0. The S values of ultramicropores (Sumi), supermicropores (Ssmi) and micropores (Smi) were similarly determined.The CM yield was established to decrease linearly (R2 = 0.979) from 70.2 to 45.3 % with an increase in temperature from 350 to 825 °С. The carbon content decreases to a minimum value at 500 °С (72.6 %), and then increases to a maximum value (87.5 %) at 825 °С; the oxygen content changes antibatically. Two temperature regions were identified: region I (? 500 °С) of increasing the oxygen content due to reactions in which KOH acts as a donor of O atoms; region II (? 500 °C) of dominating the thermal destruction of functional groups (carboxyl, lactone, ester) with the release of CO and CO2, and condensation increasing the size of polyarenes of the CM secondary framework and formsng single Сar-Саr bonds between them. The CM(350) sample was found to contain only mesopores (D ? 10 nm) and macropores. An activation temperature increase to 400 °C initiates the additional formation of small-diameter micropores and mesopores. In samples CM(400) - CM(825), the main portion of newly formed pores falls on pores with D ? 5 nm. With increasing temperature, the micropores volume increases almost linearly (R2 = 0.992). The Vumi and Vsmi volumes increase up to 600 °C. At higher temperatures the ultramicropores volume decreases due to transforming ultramicropores (D ? 0.7 nm) into supermicropores (D = 0.7–2.0 nm). Portion of the ultramicropores volume changes with a maximum (23.9 %) in the CM(600) sample. The SBET specific surface area linearly (R2 = 0.992) increases with temperature up to 1729 m2/g. The SDFT values are close to SBET, but noticeably lower (1514–1530 m2/g) for CM(785)-CM(825). The micropores specific surface area increases to 1415 m2/g, and ultramicropore surface Sumi changes extremely with a maximum (526 m2/g) for the CM(600) sample, which should be expected based on the temperature dependence of the Vumi parameter. The decrease in Sumi values after the maximum is compensated by an increase in the supermicropore surface. Such an effect - the redistribution of pores by size in the microporous range (D ? 2 nm) with an increase in the alkaline activation temperature is not described in the literature. The portion of the micropores surface is dominant (92.6–97.0 %) in samples prepared at t ? 450 °C. The portion of the ultramicropore surface is maximum (56.3 %) in CM(500). Pores are revealed that do not form at all at 450–750 °C. These are supermicropores (D = 0.96–2.00 nm) and mesopores of small diameters (D = 2.0–2.82 nm). This effect was assumed to be due to the properties of the CM supramolecular framework, which is formed from polyarene fragments of the initial and activated coals having polyarenes with diameters of the same order (1.68–2.54 nm). Мета роботи – дослідження впливу температури активації на характеристики пористої структури вуглецевих матеріалів (ВМ), отриманих з довгополуменевого (Д) вугілля в умовах термопрограмованої активації при співвідношенні KОН/вугілля RKOH = 1.0 г/г.Зразки ВМ отримували в аргоні в три стадії: 1) нагрівання (4 град/хв) до заданої температури t в межах 350–825 °С; 2) ізотермічна витримка 1 год; 3) охолодження, відмивка від лугу та сушка. Зразки позначено як ВМ(t). Визначено вихід ВМ (Y, %) та елементний склад. За низькотемпературними (77 K) ізотермами адсорбції-десорбції азоту методом 2D-NLDFT-НS розраховано (програма SAIEUS) інтегральні та диференційні залежності питомої площі поверхні SDFT (м2/г) та об’єму пор V (см3/г) від середнього діаметру пор (D, нм). З них визначено об’єми ультрамікропор (Vumi), супермікропор (Vsmi) та мікропор (Vmi). Загальний об’єм пор V обчислений за кількістю азоту, адсорбованого при відносному тиску p/p0 ~ 1.0. Аналогічно визначено питомі поверхні ультрамікропор (Sumi), супермікропор (Ssmi) та мікропор (Smi).Встановлено, що вихід ВМ лінійно (R2 = 0.979) знижується з 70.2 до 45.3 % зі зростанням температури від 350 до 825 °С. Вміст вуглецю знижується до мінімального значення при 500 °С (72.6 %), а потім збільшується до максимальної величини (87.5 %) при 825 °С; антибатно змінюється вміст кисню. Виявлено дві температурні області: область I (? 500 °С) збільшення вмісту кисню за рахунок реакцій, у яких KОН виступає донором О-атомів; область II (? 500 °С) домінування термодеструкції функціональних груп (карбоксильних, лактонних, естерних) з виділенням СО та СО2 та конденсації, що збільшують розміри поліаренів вторинного каркаса ВМ та утворюють між ними одинарні Сar-Сar зв’язки. Знайдено, що зразок ВМ(350) містить тільки мезопори (D ? 10 нм) і макропори. Підвищення температури активації до 400 °С ініціює додаткове утворення мікропор та мезопор малого діаметра і в зразках ВМ(400) – ВМ(825) основна частка новостворених пор припадає на пори з D ?5 нм зі зростанням температури об'єм мікропор майжє лінійно (R2 = 0.992) збільшується. Об’єми Vumi і Vsmi збільшуються до 600 °С, а за більш високих температур об’єм ультрамікропор знижується, оскільки ультрамікропори (D ?0.7 нм) трансформуються в супермікропори (D = 0.7–2.0 нм). Частка об’єму ультрамікропор змінюється екстремально з максимумом (23.9 %) у зразка ВМ(600). Питома поверхня SBET лінійно (R2 = 0.992) збільшується з температурою до 1729 м2/г. Значення SDFT близькі до SBET, але помітно менше (1514–1530 м2/г) для ВМ(785)–ВМ(825). Питома поверхня мікропор збільшується до 1415 м2/г, а ультрамікропор Sumi змінюється екстремально з максимумом (526 м2/г) у зразка ВМ(600), що й слід очікувати, виходячи з температурної залежності параметра Vumi. Зниження величини Sumi після максимуму компенсується збільшенням питомої поверхні супермікропор. Такий ефект – перерозподіл пор за розмірами у мікропористому діапазоні (D ?2 нм) зі зростанням температури лужної активації в літературі не описаний. Частка поверхні мікропор є домінуючою (92.6–97.0 %) у зразків, отриманих при t ? 450 °C. Частка поверхні ультрамікропор максимальна (56.3 %) у ВМ(500). Виявлено пори, які взагалі не утворюються при 450–750 °С. Це супермікропори (D = 0.96–2.00 нм) та мезопори малих діаметрів (D = 2.0–2.82 нм). Припущено, що цей ефект обумовлено властивостями супрамолекулярного каркаса ВМ, який утворюється з полиаренових фрагментів вихідного та активованого вугілля, які мають той самий порядок діаметрів (1.68–2.54 нм). Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2024-05-31 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/725 10.15407/hftp15.02.241 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 15 No. 2 (2024): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 241-254 Химия, физика и технология поверхности; Том 15 № 2 (2024): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 241-254 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 15 № 2 (2024): Хімія, фізика та технологія поверхні; 241-254 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp15.02 uk https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/725/741 Copyright (c) 2024 V. O. Kucherenko, Yu. V. Таmarkina, O. O. Abakumov |
| spellingShingle | довгополуменеве вугілля лужна активація вуглецевий матеріал мікропористість вплив температури активації Kucherenko, V. O. Таmarkina, Yu. V. Abakumov, O. O. Формування мікропористої структури довгополуменевого вугілля при лужній активації. Вплив температури |
| title | Формування мікропористої структури довгополуменевого вугілля при лужній активації. Вплив температури |
| title_alt | Formation of long-flame coal microporous structure under alkali activation. Influence of temperature |
| title_full | Формування мікропористої структури довгополуменевого вугілля при лужній активації. Вплив температури |
| title_fullStr | Формування мікропористої структури довгополуменевого вугілля при лужній активації. Вплив температури |
| title_full_unstemmed | Формування мікропористої структури довгополуменевого вугілля при лужній активації. Вплив температури |
| title_short | Формування мікропористої структури довгополуменевого вугілля при лужній активації. Вплив температури |
| title_sort | формування мікропористої структури довгополуменевого вугілля при лужній активації. вплив температури |
| topic | довгополуменеве вугілля лужна активація вуглецевий матеріал мікропористість вплив температури активації |
| topic_facet | long-flame coal alkali activation carbonaceous material microporosity influence of activation temperature довгополуменеве вугілля лужна активація вуглецевий матеріал мікропористість вплив температури активації |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/725 |
| work_keys_str_mv | AT kucherenkovo formationoflongflamecoalmicroporousstructureunderalkaliactivationinfluenceoftemperature AT tamarkinayuv formationoflongflamecoalmicroporousstructureunderalkaliactivationinfluenceoftemperature AT abakumovoo formationoflongflamecoalmicroporousstructureunderalkaliactivationinfluenceoftemperature AT kucherenkovo formuvannâmíkroporistoístrukturidovgopolumenevogovugíllâprilužníjaktivacíívplivtemperaturi AT tamarkinayuv formuvannâmíkroporistoístrukturidovgopolumenevogovugíllâprilužníjaktivacíívplivtemperaturi AT abakumovoo formuvannâmíkroporistoístrukturidovgopolumenevogovugíllâprilužníjaktivacíívplivtemperaturi |