Study on competitive adsorption of volatile organic compounds on modified carbon materials

W niniejszej pracy przeprowadzono testy dynamicznej adsorpcji lotnych związków organicznych (LZO) w celu zbadania procesu ich konkurencyjnej adsorpcji na modyfikowanych materiałach węglowych. Jako modelowe cząsteczki LZO wybrano: (i) toluen, należący do aromatycznych związków organicznych, oraz (ii) izopropanol z grupy alkoholi alifatycznych. Syntezę adsorbentów węglowych oparto na metodzie nanoreplikacji strukturalnej z wykorzystaniem sferycznego żelu krzemionkowego jako szablonu strukturotwórczego oraz sacharozy jako prekursora węgla. Zsyntezowane kompozyty disacharyd/SiO2 poddano procesowi karbonizacji w temperaturach z zakresu 500-1000 ℃, a następnie usunięciu templatu SiO2 roztworem HF. W celu scharakteryzowania struktury, porowatości, składu i morfologii otrzymanych replik węglowych wykonano pomiary technikami TGA, XRD, XPS, SEM oraz niskotemperaturowej sorpcji azotu. Zasadniczą częścią pracy były testy dynamicznej adsorpcji przeprowadzone zarówno w układach z pojedynczym adsorbatem (toluenem lub izopropanolem), jak i dwuskładnikowych (mieszanina toluen + izopropanol). W testach z pojedynczym LZO największe pojemności adsorpcyjne uzyskano dla materiału poddanego karbonizacji w optymalnej temperaturze 700 ℃. Stwierdzono wzrost pojemności adsorpcyjnych względem toluenu w dwuskładnikowych testach adsorpcyjnych, co wskazuje na wygrywanie przez molekuły tego związku konkurencji w obsadzaniu centrów adsorpcji na hydrofobowej powierzchni węgla.

In this thesis, dynamic adsorption tests of volatile organic compounds (VOCs) were carried out to investigate the process of their competitive adsorption on modified carbon materials. Toluene, belonging to aromatic organic compounds, and isopropanol from the group of aliphatic alcohols were selected as model molecules. The synthesis of carbon adsorbents was based on the structural nanoreplication method with the use of spherical silica gel as a structure-directing template and sucrose as a carbon precursor. The synthesized disaccharide/SiO2 composites were carbonized at temperatures in the range of 500-1000 ℃, and then the SiO2 template was removed with a HF solution. In order to characterize structure, porosity, composition and morphology of the obtained carbon replicas, TGA, XRD, XPS, SEM and low-temperature nitrogen adsorption techniques were used. Dynamic adsorption tests performed both in systems with a single adsorbate (toluene or isopropanol) and in two-component systems (a mixture of toluene + isopropanol) were the main part of the work. In the tests with an individual VOC, the highest adsorption capacities were obtained for the material carbonized at the optimum temperature of 700 ℃. An increase in the adsorption capacity in relation to toluene was found during the two-component adsorption tests, which indicates that the molecules of this compound won competition in filling adsorption sites on the hydrophobic carbon surface.