DOI: https://doi.org/10.21272/jnep.18(1).01030
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Vitalii Vashchynskyi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتزاز، الانتشار، والخصائص الديناميكية الحرارية للمواد
نظرة عامة
تتناول هذه القسم من ورقة البحث إعداد وتوصيف الفحم النشط (AC) المشتق من قشور نواة المشمش من خلال عملية تنشيط حرارية من خطوتين. تبحث الدراسة في تأثير درجة حرارة الكربنة على هيكل المسام وتوزيع الحجم للفحم النشط، كاشفة أن درجات حرارة التنشيط الأعلى والتنشيط الكيميائي باستخدام هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) تعزز المسامية. على وجه التحديد، تؤدي الكربنة عند 300 درجة مئوية إلى زيادة في تكوين المسام المتوسطة، بينما تفضل درجات الحرارة بين 400 درجة مئوية و600 درجة مئوية تطوير المسام الدقيقة. حقق العينة AC31 أعلى مساحة سطح محددة تبلغ 1313 م²/غ، مع قطر مسام يبلغ 2.25 نانومتر، وتم العثور على ارتباطات كبيرة بين أحجام المسام الدقيقة المقاسة بطرق مختلفة.
تسلط الاستنتاجات الضوء على أنه تم تصنيع سبعة مواد من الفحم النشط، تظهر منحنيات امتصاص-إزالة النيتروجين من النوع الرابع التي تشير إلى خصائص المسام المتوسطة. أثرت درجة حرارة الكربنة بشكل ملحوظ على توزيع حجم المسام، حيث كانت المسام الدقيقة هي المساهمين الرئيسيين في إجمالي مساحة السطح. تم تحديد الظروف المثلى لإنتاج الفحم النشط بهيكل مسامي جيد التطور على أنها الكربنة عند 300 درجة مئوية تليها تنشيط KOH عند 900 درجة مئوية. تحت هذه الظروف، أظهر الفحم النشط مساحة سطح محددة تبلغ 1313 م²/غ وحجم إجمالي للمسام يبلغ 0.680 سم³/غ. تؤكد النتائج على الأهمية العلمية والعملية للهيكل المسامي لقشور نواة المشمش، مما يشير إلى أن عينات الفحم النشط المنتجة تمتلك خصائص هيكلية وامتصاصية مقارنة بالمعايير العالمية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الاهتمام العلمي والعملي المتزايد بالفحم النشط (AC) بسبب تطبيقاته المتنوعة عبر مجالات مختلفة، بما في ذلك الإلكترونيات، والكيمياء الكهربائية، والتقنيات البيئية. تُعزى الخصائص الفريدة للفحم النشط إلى تنوع المواد الأولية الكربونية والمعالجات الفيزيائية الكيميائية المحددة المستخدمة أثناء الإنتاج. تشمل الطرق التقليدية كربنة المواد الخام النباتية، مما يؤدي غالبًا إلى مسامية منخفضة، خاصة في المواد المشتقة من أحجار الفاكهة. تعتبر عملية التنشيط، التي يمكن أن تكون فيزيائية أو كيميائية، حاسمة لتعزيز المسامية من خلال فتح المسام المغلقة وتشكيل هيكل مسامي أكثر تطورًا.
تناقش المقدمة أيضًا أهمية امتصاص الغاز في توصيف المواد المسامية، حيث يعتبر النيتروجين هو الممتص القياسي لتحديد مساحة السطح وتوزيع حجم المسام من خلال قياسات الامتصاص-الإزالة عند 77 كلفن. يتم استخدام طرق مختلفة، مثل نماذج برونور-إيميت-تيلر (BET) ونماذج بارنت-جويتر-هاليندا (BJH)، لتحليل هذه الخصائص. كما يتم الإشارة إلى تصنيف المسام إلى مسام كبيرة، مسام متوسطة، مسام دقيقة، ومسامات فوق الدقيقة، إلى جانب آليات امتصاص الغاز المختلفة المرتبطة بكل فئة. تختتم هذه القسم بالتأكيد على أهمية هذه النتائج لتخليق المواد عالية المسامية وتحدد هدف الدراسة لاستكشاف الهيكل المسامي للفحم النشط باستخدام طرق تحليل مسامية متقدمة، بما في ذلك BET، BJH، نظرية الوظائف الكثافة (DFT)، وطريقة t.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة لتوصيف الخصائص النسيجية لعينات الفحم النشط (AC). استخدمت التحليلات منحنيات امتصاص-إزالة النيتروجين المقاسة عند 77 كلفن، والتي أجريت باستخدام محلل مساحة السطح والمسام NOVA 2200e. قبل القياس، تم إزالة الغازات من العينات تحت الفراغ عند 180 درجة مئوية لمدة 18 ساعة للتخلص من الرطوبة الممتصة والشوائب المتطايرة. تم حساب مساحة السطح المحددة ($S_{BET}$، م²·غ⁻¹) باستخدام طريقة برونور-إيميت-تيلر (BET) متعددة النقاط ضمن نطاق الضغط النسبي من $P/P_0 = 0.05-0.35$. بالإضافة إلى ذلك، تم اشتقاق الحجم الإجمالي للمسام ($V_{total}$، سم³·غ⁻¹) من امتصاص النيتروجين عند $P/P_0 \approx 1.0$، بينما تم تقييم حجم المسام الدقيقة ($V_{micro}$، سم³·غ⁻¹) ومساحات السطح المحددة للمسام الدقيقة والمتوسطة ($S_{micro}$، $S_{mezo}$، م²·غ⁻¹) باستخدام طريقة t-plot وحسابات نظرية الوظائف الكثافة (DFT).
تم تأكيد تكرار قياسات مساحة سطح BET وحجم المسام لتكون ضمن ±5%، مما يدل على موثوقية النتائج التجريبية. تضمن هذا النهج الدقيق في التوصيف تقييمًا دقيقًا لخصائص العينات النسيجية للفحم النشط، وهو أمر حاسم لفهم قدراتها على الامتصاص والتطبيقات المحتملة.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من البيانات التجريبية. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، حيث تشير الاختبارات الإحصائية إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. علاوة على ذلك، تظهر البيانات اتجاهًا واضحًا في الظواهر الملاحظة، مما يدعم الفرضيات الأولية المطروحة في البحث.
بالإضافة إلى النتائج الرئيسية، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. يؤكد المؤلفون على أهمية نتائجهم بالنسبة للنظريات القائمة والتطبيقات المحتملة، مقترحين مجالات للبحث المستقبلي. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز فهم الموضوع المدروس، بينما تعالج أيضًا القيود وتقترح مزيدًا من التحقيقات للتحقق من العمل الحالي وتوسيعه.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع الفحم النشط (AC) من قشور نواة المشمش باستخدام عملية من خطوتين تشمل الكربنة والتنشيط الكيميائي باستخدام هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH). تم إجراء الكربنة عند درجات حرارة تتراوح من 300 درجة مئوية إلى 900 درجة مئوية، تليها التنشيط عند 900-920 درجة مئوية. تم توصيف عينات الفحم النشط الناتجة من خلال مساحة السطح المحددة وهيكل المسام باستخدام منحنيات امتصاص النيتروجين عند 77 كلفن. كشفت النتائج أن جميع عينات الفحم النشط أظهرت منحنيات من النوع الرابع، مما يدل على مواد مسامية متوسطة، مع مساهمة كبيرة من المسام الدقيقة (أقل من 2 نانومتر). ومن الجدير بالذكر أن العينة AC31 أظهرت حلقة هيسترسيس بارزة، مما يشير إلى هيكل مسامي متطور جيدًا.
أشارت التحليلات إلى أن درجة حرارة الكربنة أثرت بشكل كبير على توزيع حجم المسام ومساحة السطح، مع تحديد الظروف المثلى على أنها الكربنة عند 300 درجة مئوية تليها تنشيط عند 900 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة. تحت هذه الظروف، حقق الفحم النشط مساحة سطح محددة تبلغ 1313 م²/غ وحجم إجمالي للمسام يبلغ 0.680 سم³/غ. كما أبرزت الدراسة أن زيادة درجة حرارة الكربنة أدت إلى زيادة نسبة المسام الدقيقة مع الحفاظ على قطر متوسط ثابت للمسام حول 1.75-1.80 نانومتر للعينات التي تزيد عن 500 درجة مئوية. تؤكد النتائج على إمكانية استخدام قشور نواة المشمش كمادة أولية مستدامة لإنتاج فحم نشط عالي الجودة بخصائص هيكلية وامتصاصية مرغوبة، مقارنة بالمعايير العالمية.
DOI: https://doi.org/10.21272/jnep.18(1).01030
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Vitalii Vashchynskyi et al.
Primary Topic: Adsorption, diffusion, and thermodynamic properties of materials
Overview
This section of the research paper details the preparation and characterization of activated carbon (AC) derived from apricot kernel shells through a two-step pyrolytic activation process. The study investigates the impact of carbonization temperature on the pore structure and size distribution of the ACs, revealing that higher activation temperatures and chemical activation with potassium hydroxide (KOH) enhance porosity. Specifically, carbonization at 300°C leads to an increase in mesopore formation, while temperatures between 400°C and 600°C favor micropore development. The sample AC31 achieved the highest specific surface area of 1313 m²/g, with a pore diameter of 2.25 nm, and significant correlations were found between micropore volumes measured by various methods.
The conclusions highlight that seven AC materials were synthesized, exhibiting type IV nitrogen adsorption-desorption isotherms indicative of mesoporous characteristics. The carbonization temperature notably influenced pore size distribution, with micropores being the primary contributors to the total surface area. Optimal conditions for producing AC with a well-developed mesoporous structure were identified as carbonization at 300°C followed by KOH activation at 900°C. Under these conditions, the AC demonstrated a specific surface area of 1313 m²/g and a total pore volume of 0.680 cm³/g. The findings underscore the scientific and practical significance of the porous structure of apricot kernel shells, suggesting that the produced AC samples possess structural and adsorption properties comparable to global standards.
Introduction
The introduction highlights the growing scientific and practical interest in activated carbon (AC) due to its diverse applications across various fields, including electronics, electrochemistry, and environmental technologies. The unique properties of AC are attributed to the variety of carbon precursors and the specific physicochemical treatments employed during production. Traditional methods involve carbonizing plant-based raw materials, which often results in low porosity, particularly in materials derived from fruit stones. The activation process, which can be physical or chemical, is crucial for enhancing porosity by opening closed pores and forming a more developed porous structure.
The introduction further discusses the significance of gas adsorption in characterizing porous materials, with nitrogen being the standard adsorbate for determining surface area and pore size distribution through adsorption-desorption measurements at 77 K. Various methods, such as the Brunauer-Emmett-Teller (BET) and Barrett-Joyner-Halenda (BJH) models, are employed for analyzing these properties. The classification of pores into macropores, mesopores, micropores, and ultramicropores is also noted, along with the differing gas adsorption mechanisms associated with each category. The section concludes by emphasizing the importance of these findings for the synthesis of high-porosity materials and outlines the study’s aim to explore the porous structure of AC using advanced porometric analysis methods, including BET, BJH, density functional theory (DFT), and the t-method.
Methods
In this section, the methods employed for characterizing the textural properties of activated carbon (AC) samples are detailed. The analysis utilized nitrogen adsorption-desorption isotherms measured at 77 K, conducted with a NOVA 2200e surface area and porosity analyzer. Prior to measurement, samples were degassed under vacuum at 180 °C for 18 hours to eliminate adsorbed moisture and volatile impurities. The specific surface area ($S_{BET}$, m²·g⁻¹) was calculated using the multipoint Brunauer-Emmett-Teller (BET) method within the relative pressure range of $P/P_0 = 0.05-0.35$. Additionally, the total pore volume ($V_{total}$, cm³·g⁻¹) was derived from nitrogen adsorption at $P/P_0 \approx 1.0$, while micropore volume ($V_{micro}$, cm³·g⁻¹) and specific surface areas of micro- and mesopores ($S_{micro}$, $S_{mezo}$, m²·g⁻¹) were assessed using the t-plot method and Density Functional Theory (DFT) calculations.
The reproducibility of the BET surface area and pore volume measurements was confirmed to be within ±5%, indicating the reliability of the experimental results. This rigorous characterization approach ensures accurate assessment of the AC samples’ textural properties, which is critical for understanding their adsorption capabilities and potential applications.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental data. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Furthermore, the data demonstrate a clear trend in the observed phenomena, supporting the initial hypotheses posited in the research.
In addition to the primary findings, the discussion elaborates on the implications of these results within the broader context of the field. The authors emphasize the relevance of their findings to existing theories and potential applications, suggesting avenues for future research. Overall, the results contribute valuable insights that enhance the understanding of the studied topic, while also addressing limitations and proposing further investigations to validate and expand upon the current work.
Discussion
In this study, activated carbon (AC) was synthesized from apricot kernel shells using a two-step process involving carbonization and chemical activation with potassium hydroxide (KOH). The carbonization was conducted at temperatures ranging from 300°C to 900°C, followed by activation at 900-920°C. The resulting AC samples were characterized by their specific surface area and pore structure using nitrogen adsorption isotherms at 77 K. The findings revealed that all ACs exhibited Type IV isotherms, indicative of mesoporous materials, with a significant contribution from micropores (less than 2 nm). Notably, sample AC31 demonstrated a pronounced hysteresis loop, suggesting a well-developed mesoporous structure.
The analysis indicated that the carbonization temperature significantly influenced the pore size distribution and surface area, with the optimal conditions identified as carbonization at 300°C followed by activation at 900°C for 20 minutes. Under these conditions, the AC achieved a specific surface area of 1313 m²/g and a total pore volume of 0.680 cm³/g. The study also highlighted that increasing the carbonization temperature led to a higher micropore fraction while maintaining a stable average pore diameter around 1.75-1.80 nm for samples above 500°C. The results underscore the potential of apricot kernel shells as a sustainable precursor for producing high-quality activated carbon with desirable structural and adsorption properties, comparable to global standards.