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多孔无机材料课程论文姓名:专业:学号:班级:1多孔材料的结构表征方法都有哪些,其主用作用是什么?(10分)•答:表征方法有:衍射;光谱;波谱显微技术;吸附与脱附等。•衍射利用每一种物相都有特征的XRD谱峰来分析材料的性质和信息如晶胞尺寸、杂质(或指标化错误)、对称性、是否有无定形存在、晶体(域)尺寸、应力/张力、堆垛层错、晶体结构.•红外光谱用于识别结构中的官能团,分子筛骨架构型的判别、表面羟基结构、表面酸性以及分子筛的客体的结构等方面的研究。•UV-Visible光谱技术之电子光谱,来自于电子的跃迁,研究分子筛中的杂原子的配位状态。扫描电镜用来分析结晶形貌,外表面,相的纯度等,如透射电镜可用来观测结构,解析结构。•核磁共振技术(NMR)研究处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收。根据化学位移技术可以考查原子核所处的化学环境,从而对化合物进行结构分析。•吸附分析可以通过BET、LANGMUIR等技术来测表面积,分析孔径分布可以用BJH方法来分析微孔;用HK方法来分析介孔;用汞吸附法分析大孔。吸附分析也可以用来分析孔容和结晶度。2多孔材料性能参数的表征方法有哪些,试举2例说明其具体操作过程和所得到的性能参数?(15分)•答:孔隙率的测定方法有显微分析法,直接称重体积计算法、浸泡介质法、真空浸渍法和漂浮法等。多孔无机材料的孔径的测定方法,如断面直接观测法、气泡法、透过法、压汞法,气体吸附法、离心力法、悬浮液过滤法、X射线小角度散射法等。多孔无机材料的孔形貌和微结构可用不同放大倍数的光学显微镜来观察分析。利用CT技术(层折X射线摄影术:X-raycomputedtomography)来获取多孔材料的三维密度分布形态。也可采用涡流感应技术,通过多频电流阻抗来检测多孔金属材料的相对密度、孔目(尺寸和孔隙形貌)。多孔无机材料的内部结构,也可以通过超声波图像而获得。测定比表面积的方法主要有气体吸附法(BET法)、流体透过法和压汞法等。•显微分析法测孔隙率:•本方法首先要求对多孔材料样品制备出尽量平整的断面,再通过显徽镜观测出断面的总面积Sp和其中包含的孔隙面积So,然后利用公式:•θ=Sp/So.•直接称重体积计算法测孔隙率:•a取样先切取出形状规则且大小合适的多孔材料样品,注意切割试样时不要使(或尽量不使)材料的原始孔隙结构产生变形,且试样形状应便于测量和进行体积计算。试样的体积应根据孔隙大小确定,尽可能取大些,且与所用仪器(如天平等)及材料的原始形状相符合。•b测量体积进行样品的尺寸测量,并由此计算出其体积。在天平上称取试样的质量。其中每一尺寸至少要在3个分隔的位置上分别测量,取每一位置上3个读数的中值,再计算各尺寸的平均值,并以此算出试样的体积。•c在天平上称取试样质量。整个测试过程应在常温或规定的温度和相对程度下进行,最后得出孔率为:θ=1-M/Vρ式中:M——试样质量;V——试样体积ρ——多孔体对应致密固体材质的密度。3多孔陶瓷的特性参数有哪些,都有什么意义?(10分)答:1、气孔率;把开口孔道体积占材料总体积的百分率定义为气孔率。材料成型时的振动、加压、添加剂的用量等对最终气孔率影响很大。孔隙率是这些基本参量中的主要指标,因为它对多孔无机材料力学、物理和化学等性能的影响最为显著。2、平均孔径、最大孔径和孔道长度;3、孔径与孔径分布是多孔无机材料的重要性质之一,虽然它与多孔材料的许多力学性能和热性能等关系较小,但它对多孔体的透过性、渗透速率、过滤性能等其他性质有显著影响4多孔炭材料主要有哪几类,各有什么特点和用途?(10分)答:主要分为活性炭.活性碳纤维,碳分子筛。多孔炭是黑色多孔物质,由微晶炭和无定型炭构成,含有灰分。突出优点是内部孔隙结构发达、比表面积大,具有优良的吸附性能和良好的化学稳定性、物理稳定性以及使用失效后容易再生等性能。它能脱色、脱臭、脱硫、脱苯,还能选择性地脱除液相或气相中某些化学杂质。它也能吸附某些物质作为催化剂,使化学反应速度大大加快,是良好的催化剂裁体。可作为气、液相吸附剂,作为催化剂和催化剂载体,作为电池电极材料及储氢材料。活性碳纤维,单丝直径细,约8-12μm;活性炭为1-3mm,表面积大,约比粒状AC在两位数,吸附面积大;有效吸附孔分布窄,属于单分散型,活性炭属于多分散型孔分布;没有或很少有大孔,且为径向开孔扩散阻力小,吸附、脱附有行程短,吸脱速度快,约为活性炭的10-100倍;外表面积(0.2-2m2/g)较AC(0.001m2/g)大得多,吸附位多,吸附容量大;体密度小,漏损小,处理速度快,可实现设备小型化、高效化和自动化;杂质少,纯度高,不会污染吸附的气体或液体;强度高,粉尘少,不会造成二次污染;形态好,后加工性好,适应性强,有纤维、布、毡、纸以及蜂窝结构、波纹板和各种定型制品;易再生,失活少,使用寿命长。导电、导热、蓄热量小,操作、维修方便,使用安全。广泛用于空气净化和除湿、冰箱除异味、气化分离净制、有机废水/溶剂回收处理、防毒气、催化剂或催化剂载体,制备SiC纤维,防化器材,人体器官,电容器电极,航空航天及军用装备等。碳分子筛,具有较为均匀的微孔结构的碳质吸附剂,它具有接近被吸附分子直径的楔形缝状微孔,能够把立体结构大小有差异的分子分离开来。它除耐燃烧性较差外,其他诸如强度、硬度、耐热性、耐酸性及化学稳定性等性能均比沸石分子筛优越,其主要作用是分离空气、富集氮气。分子筛类材料具有独特的孔道结构和活性中心,在石油化学、精细化工过程、吸附、分离等领域发挥着非常重要的作用。作为碳质吸附材料,碳分子筛已经用于空气分离制氮、催化剂载体、脱除天然气中的杂质CO2和H2O,饮料的除臭、香烟的过滤嘴、色谱的固定相等等。5无机膜有哪些优点和缺点,主要的制备方法和用途是什么,主要的性能参数有哪些,各是什么意义?(15分)答:与有机膜相比,无机膜具有以下优点:1、热稳定性好,耐高温,一般可以在400℃下使用,最高可达800℃以上,不老化、寿命长。2、化学稳定性好,耐有机溶剂,耐酸碱,抗微生物侵蚀。3、机械强度大,担载无机膜可承受几十个大气压的外压,并可反向冲洗。4、净化操作简单、迅速,价格便宜,保存方便。5、孔径分布窄,分离效率高。目前,从技术上看,无机膜还存在如下缺点:1、生产成本高,制造技术难度大。2、无机膜易发脆,给膜的成型加工及组件装备带来一定的困难。3、膜器安装因密封的缘故,使其性能不能得到充分利用。目前几种常见的制备方法有:溶胶—凝胶法、阳极氧化法、热分解法、水热合成法等。6沸石的基本结构单元是什么?(初级结构单元、次级结构单元),沸石的合成采用什么方法?影响沸石性能的最主要因素是什么?(15分)答:沸石的初级结构单元PBU,沸石的次级结构单元SBU。三维空间的多面体,是构成沸石分子筛的主要结构单元.沸石的合成方法包括水热合成、高温快速晶化合成、干凝胶合成方法(DGC法)、太空中合成沸石、转晶等沸石分子筛的性质与功能主要决定于骨架元素组成和孔道结构,所以沸石中的阳离子和离子交换度和硅铝比(高硅铝比的沸石骨架水热稳定性比较高,水蒸气对沸石的破坏主要是攻击骨架四面体中的铝离子)是影响沸石性能的最主要因素。Si/Al比与分子筛的热稳定性、水热稳定性、化学稳定性、吸附性能、酸性、催化活性等紧密相关。离子交换影响孔径大小发生变化、筛分性能、择形催化性能筛分性能等。7简述一种多孔无机材料的组成、用途、制备方法和应用进展(25分)答:活性炭是黑色多孔物质,由微晶炭和无定型炭构成,含有灰分。原料来源广泛,植物类中的木材,木炭,椰子壳,果核,稻壳,纤维素,纸浆废液等煤类中的泥煤,褐煤,无烟煤,煤沥青,石油原料中的石油焦,石油沥青,石油渣,油砂地沥青,塑料中的聚氯乙烯,聚丙烯,各种树脂等这些东西中都含有碳元素。活性炭内部孔隙结构发达、比表面积大,具有优良的吸附性能和良好的化学稳定性、物理稳定性以及使用失效后容易再生等性能。它能脱色、脱臭、脱硫、脱苯,还能选择性地脱除液相或气相中某些化学杂质。它也能吸附某些物质作为催化剂,使化学反应速度大大加快,是良好的催化剂裁体。制备方法通常有三种,物理活化法,利用气体介质对原料进行活化成孔;化学活化法,利用化学试剂对原料进行活化成孔;化学-物理活化法,先化学活化再用物理法进一步扩孔。物理活化法工艺反应主要工序为炭化和活化两个阶段。炭化就是将原料加热,预先除去其中的挥发成分,制成适合于下一步活化用的炭化料。炭化的实质是有机物的热解过程,包括热分解反应和热缩聚反应,在高温条件下,有机化合物中所含的氢、氧等元素的组成被分解,炭原子不断环化,芳构化,结果使氢、氧、氮等原子不断减少,炭不断富集,最后成为富炭或纯炭物质。活化阶段通常在大约900℃下,把炭暴露于氧化性气体介质中进行处理而构成。活化的目的是清除炭化过程中积蓄在孔隙结构中的焦油物质及裂解产物,以提高孔容积或比表面积。活化过程分为两个阶段,第一阶段除去被吸附质并使被堵塞的细孔开放;进一步活化使原来的细孔和通路扩大;随后,由于碳质结构反应性能高的部分的选择性氧化而形成了微孔组织。化学活化法炭化活化一次同步完成的,且所需的反应温度低,碳收率高,AC内外均匀性好,比表面积高。活性炭主要运用于作为气、液相吸附剂、作为催化剂和催化剂载体,作为电池电极材料及储氢材料而广泛用于国防、化工、石油、电子、纺织、食品、医药、交通能源、农业、原子能工业、城建、环保等方面。
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