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Untersuchung der porösen Materialien auf ihre Sorptionseigenschaften für die Adsorptionswärmeanwendung
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-01-08
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-00619
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/810420/files/810420.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Adsorption (frei) ; Kohle (frei) ; Silikagel (frei) ; Wasserbeladung (frei) ; Zeolith (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540
Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit widmet sich einer allgemeinen Untersuchung der Wassersorptionseigenschaften von drei Klassen poröser Materialien, nämlich Zeolith, Kieselgel und Kohlenwasserstoffmaterialien, entsprechend ihrer strukturellen und chemischen Merkmale. Die erhaltenen Daten zur Wassersorption können nützliche Anwendungen für die thermische Energiespeicherung (TES) haben. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Sorptionseigenschaften von kommerziellen Silikagel-Proben vor und nach der Behandlung mit einer Piranha-Lösung (Gemisch aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxide) durch Variation der Kontaktzeiten. Die Hydroxylierung der Silikageloberfläche führte zu einer Erhöhung der Hydrophilie der äußeren Oberfläche, woraufhin das Material eine verbesserte Wasserbeladung bei niedrigen relativen Drücken zeigte. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit den Sorptionseigenschaften von Kohlenwasserstoffen: Aktivkohle, poröse Kohlenstoffquader (PCCs) und Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs). Eine kommerzielle Probe der Aktivkohle Norit A Supra EUR von CABOT zeigte die höchsten spezifischen Oberflächenwerte, aber auch die niedrigsten Wasserbeladungswerte im Niederdruckbereich. Die porösen Kohlenstoffquader, die in früheren Untersuchungen als vielversprechende Materialien aufgrund ihrer hohen Wassersorptionskapazitäten beschrieben wurden, wurden nach der Arbeit von Hao und Mondin (2014) synthetisiert. Beide Proben (PCC-1 und PCC-2), zeigten eine hohe Reproduzierbarkeit sowie hohe Werte für die spezifische Oberfläche und die Wasserbeladung. Die Kohlenstoff-Nanoröhren mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und hydrothermaler Stabilität wurden als Kompositmaterial in einer Kombination mit einem Polymer Polyacrylnitril (PAN) untersucht, das eine hohe Konzentration an hydrophilen Nitrilgruppen (-CΞN) aufweist. Die PAN-CNT-basierten Materialien zeigten hohe Werte der Wasserbeladung im niedrigen Relativdruckbereich. Die Erhöhung des CNT-Gehaltes im PAN-CNT-Komposit führt zu einem höheren Gesamtporenvolumen, wobei jedoch seine Polarität mit abnehmender Konzentration des PAN-Polymers abnimmt. Seine Polarität nimmt jedoch mit abnehmender Konzentration des PAN-Polymers ab. Schließlich wurden die Sorptionseigenschaften von Zeolithmaterialien der morphologischen Typen FAU, MFI, LTA und GIS in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie Si/Al-Verhältnis (Modul), Art des Gegenions, Porengröße und deren Verteilung untersucht. Für diesen Teil der Studie wurden sowohl kommerzielle Proben als auch neu synthetisierte Proben verwendet. Die Zeolithe des FAU- und GIS-Typs wurden aufgrund ihrer hohen hydrophilen Eigenschaften mit postsynthetischen Methoden weiterbehandelt, einschließlich der Entkeimung mit einer NaOH-Lösung und der Nassimprägnierung mit Mg- und La-haltigen Lösungen. Die letzten beiden Zeolith-Typen zeigten die höchsten Werte der Wasserbeladung.This thesis is devoted to a general study of the water sorption properties of three classes of porous materials, namely zeolite, silica gel and hydrocarbon materials, according their structural and chemical features. The obtained water sorption characteristics may have useful applications to thermal energy storage (TES). The first part of the thesis concerns the investigation of the sorption properties of commercial silica gel B123 samples before and after treatment with a piranha solution (H2O2:H2SO4) by varying of contact times (5, 60, 120 min.). The hydroxylation of the silica gel surface led to an increase in the hydrophilicity of its external surface, at which point the material demonstrated improved water loading at low relative pressures P/P0. The second part of the thesis is about the sorption properties of hydrocarbons: active carbon, porous carbon cuboids (PCCs), and carbon nanotubes (CNTs). A commercial sample of active carbon Norit A Supra EUR from CABOT showed the highest specific surface values but also the lowest water loading values in the low pressure region. The porous carbon cuboids described in previous research as being promising materials due to their high water sorption capacities were synthesized according to the work of Hao and Mondin (2014). Both samples (PCC-1 and PCC-2), demonstrated a high reproducibility as well as high values for specific surface and water loading characteristics. The carbon nanotubes with excellent mechanical properties and hydrothermal stability have been studied as composite material in a combination with a polymer polyacrylonitrile (PAN), which has a high concentration of hydrophilic nitrile groups (-CΞN). The PAN-CNT based materials showed high values of water loading in the low relative pressure region. The CNT content increase in the PAN-CNT composite leads to a higher total pore volume, but meanwhile its polarity decreases as the concentration PAN polymer reduces. However, its polarity decreases as the concentration of the PAN polymer reduces. Lastly, the sorption features of zeolite materials of the FAU, MFI, LTA and GIS types were investigated according to several factors such as Si/Al module, type of counterion, pore size and their distribution. Both commercial samples and newly synthesized samples were used for this part of the study. The zeolites of FAU and GIS types were, according to their high hydrophilic properties, further treated with post-synthetic methods, including desilification with an NaOH solution, and wet impregnation with Mg- and La- containing solutions. The last two zeolite types showed the highest values of water loading.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT020947806
Interne Identnummern
RWTH-2021-00619
Datensatz-ID: 810420
Beteiligte Länder
Germany
