TW202302471A - 浸漬冷卻用吸著劑 - Google Patents

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傑森 P 馬佐科利
史蒂芬 L 巴特沃思
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美商卡爾岡碳公司
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Abstract

本發明係關於用於在浸漬冷卻系統(諸如用於冷卻電子組件之彼等系統)中過濾冷卻劑的吸著劑。吸著劑可包含具有約1 wt.%至約5 wt.%之整體氧含量、至多約1.5 wt.%之水分含量、及至少約150之糖蜜值的活性碳吸著劑材料。吸著劑可容納於外殼中,以使冷卻劑輸送通過其中來從冷卻劑中去除傳導性污染物。

Description

浸漬冷卻用吸著劑
相關申請案之交叉引用
本申請案主張於2021年6月4日提出申請之美國臨時申請案第63/196,892號之優先權,該案以全文引用的方式併入本文。
本揭露大致上係關於用於純化冷卻劑之方法及系統。
隨著客戶運算需求和資料中心密度不斷增加,電子組件(諸如微處理器、晶片組、圖形處理單元(GPU)和記憶體模組)的散熱需求亦不斷上升。習知之客戶運算裝置和資料中心經常係透過散熱片、冷卻鰭片和風扇,將冷空氣轉移至電子組件,並透過傳導和對流去除廢熱來進行空氣冷卻。此類裝置與技術存在缺點。雖然空氣係電絕緣和非腐蝕性的,但其對於給定熱容量而言的大體積意味著將冷空氣轉移至電子組件、去除加熱排氣、冷卻加熱排氣(經常通過空調)及作為冷空氣再循環係機械能量密集的。
相對地,浸漬冷卻將電子組件包封在導熱但電絕緣(介電)的冷卻劑中。冷卻劑將熱從電子組件轉移到冷卻劑,藉此從電子組件中去除廢熱。現經加熱的冷卻劑隨後進入熱交換器,在此其通過靠近另一流體(諸如空氣或水)而冷卻。冷卻劑係電絕緣的,以確保其能安全地接觸引線、跡線、表面裝置墊、焊料和其他在正常操作期間經暴露和通電的電子組件。
一般而言,浸漬冷卻系統包括待浸沒於冷卻劑中而冷卻的電子裝置。隨時間經過,電子裝置的各種材料組分會濾出至冷卻劑中。雖然冷卻劑本身係電絕緣的,但來自焊料及金屬電子組件的金屬以及存在於彈性體、助焊劑、抗蝕劑材料、PVC絕緣、發泡體、黏著劑及其與冷卻劑之反應產物中的烴油會引入污染物,其可能增加冷卻劑的導電性。提高流體導電性之此等污染物稱為傳導性污染物,且其通常藉由濾出或以其他方式擴散而自浸沒於冷卻劑中之電子組件引入至冷卻劑中。由於對於必須保持電絕緣的冷卻劑而言,不希望傳導性增加,因此必須移除這類傳導性污染物。
目前,存在用於浸漬冷卻系統的過濾系統。然而,這類習知之過濾器和吸著劑必須經常更換,其成本高昂且可能導致不期望的維護和停機時間。例如,將包含吸著劑材料的習知吸著劑以大約五倍於冷卻劑中預期污染之質量的量提供於外殼中。吸著劑的優化,特定而言藉由提高其中所含吸著劑材料的效率和吸附容量,及過濾器中所含的吸著劑將代表工業的進步,其將在降低對更換吸著劑之需求,以及使用具更高純度之冷卻劑實現改良效率方面降低與浸漬冷卻相關聯的成本。此一吸著劑不應另外對冷卻劑本身造成污染。
根據本揭示之若干具體例的概述顯示於下。
在一些態樣中,文中描述的技術係關於一種純化含有一或多種傳導性污染物之冷卻劑之方法,該方法包括:使該冷卻劑與吸著劑接觸,藉此使該吸著劑吸附該一或多種傳導性污染物,其中該吸著劑包括具有約1 wt.%至約5 wt.%之整體氧含量、至多約1.5 wt.%之水分含量、及至少約150之糖蜜值(molasses number)的吸著劑材料,其中該吸著劑材料包括活性碳。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中該活性碳係由煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核(dende nut)、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、及其他含碳材料中之一或多者形成。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中該吸著劑材料係藉由在惰性氛圍下在至少約500 ℃之溫度下煅燒含碳材料而形成。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中該吸著劑材料具有至少約850 mg/g之重量分析碘值。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中該吸著劑材料具有至少約1100 mg/g之重量分析碘值。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中該吸著劑已經處理,以防止再引入氧氣。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中處理吸著劑以防止再引入氧氣包括下列中之一或多者:利用惰性氛圍沖洗吸著劑材料,將吸著劑放置於具有去氧化合物的外殼內,及從含有吸著劑的外殼中機械去除氧氣。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中該冷卻劑包括油、烴、酮、醚、或其任何氟化衍生物中之一或多者。
於一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中該冷卻劑具有約34 ℃至約175 ℃之沸點及在1 kHz下小於約10之介電常數。
於一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中該冷卻劑具有不超過約0.8 cSt之動黏度。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其進一步包括使電子組件與冷卻劑接觸且使傳導性污染物自電子組件擴散至冷卻劑。
於一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其進一步包括經由粒徑排阻過濾器過濾該冷卻劑。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種用於純化含有一或多種傳導性污染物之冷卻劑之系統,該系統包括:含有吸著劑之外殼,該吸著劑包括具有約1 wt.%至約5 wt.%之整體氧含量、至多約1.5 wt.%之水分含量、及至少約150之糖蜜值的吸著劑材料;至少一個入口、 或至少一個出口、或至少一個入口及至少一個出口,其與該吸著劑及含有冷卻劑之槽連通,使得該冷卻劑之至少一部分接觸該吸著劑。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其中該吸著劑包括吸著劑材料,其為活性碳。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其中該活性碳係由下列中之一或多者形成:煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、及其他含碳材料。
在一些態樣中,本文中所描述之技術係關於一種系統,其中該吸著劑材料係藉由在惰性氛圍下在至少約500 ℃之溫度下煅燒含碳材料而形成。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其中該吸著劑材料具有至少約850 mg/g之重量分析碘值。
在一些態樣中,本文所描述之技術係關於一種系統,其中該吸著劑材料具有至少約1100 mg/g之重量分析碘值。
於一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其中該吸著劑已利用氮氣沖洗,以防止再引入氧氣。
於一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其中該吸著劑係惰性包裝或真空包裝於外殼中。
於一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其進一步包括將冷卻劑輸送通過吸著劑的泵。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其中該冷卻劑包括油、烴、酮、醚、或其氟化衍生物中之一或多者。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其中該冷卻劑具有約34 ℃至約175 ℃之沸點、約-38 ℃至約-138 ℃之冷凍點及在1 kHz下小於約10的介電常數。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其中該冷卻劑具有不超過約0.8 cSt之動黏度。
於一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其進一步包括含有一或多種傳導性污染物的電子組件。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其中該電子組件係裝納在資料中心中。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種系統,其進一步包括連接於包括吸著劑之外殼下游之粒徑排阻過濾器。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種用於純化含有一或多種傳導性污染物之冷卻劑的組成物,該組成物包括:吸著劑,其包含具有約1 wt.%至約5 wt.%之整體氧含量、至多約1.5 wt.%之水分含量、及至少約150之糖蜜值的吸著劑材料,其中該吸著劑材料包括活性碳。
於一些態樣中,本文所述之技術係關於一種組成物,其中該活性碳係由煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、及其他含碳材料中之一或多者形成。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種組成物,其中該吸著劑材料具有約6.5至約12之接觸pH。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種組成物,其中該吸著劑材料具有至少約850 mg/g之重量分析碘值。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種組成物,其中該吸著劑材料具有至少約1100 mg/g之重量分析碘值。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種組成物,其中該吸著劑已經處理,以防止再引入氧氣。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種製造用於純化含有一或多種傳導性污染物之冷卻劑之吸著劑之方法,該吸著劑包含吸著劑材料,該方法包括:煅燒前驅物吸著劑材料,藉此形成具有約1 wt.%至約5 wt.%之整體氧含量、至多約1.5 wt.%之水分含量、及至少約150之糖蜜值的吸著劑材料,其中該吸著劑材料包括活性碳。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中該活性碳係由煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、及其他含碳材料中之一或多者形成。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中煅燒係發生在至少約500 ℃之溫度下。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其進一步包括處理該吸著劑材料,以防止再引入氧氣及水分。
在一些態樣中,本文所述之技術係關於一種方法,其中處理該吸著劑以防止再引入氧氣包括下列中之一或多者:利用惰性氛圍沖洗吸著劑材料,將吸著劑放置於具有去氧化合物的外殼內,及從含有吸著劑的外殼中機械去除氧氣。
本揭示提供一種純化電子組件之冷卻劑的方法,該方法包括:使該冷卻劑與吸著劑接觸,其中該吸著劑之特徵在於至少330之重量分析糖蜜值。在任何具體例中,吸著劑可為活性碳,其例如由煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、或其他含碳材料形成。在任何具體例中,吸著劑可由在惰性氛圍下在至少約500 ℃的溫度下煅燒含碳材料而形成。在任何具體例中,吸著劑可展現約0.2 g/cm 3至約1 g/cm 3之表觀密度。在任何具體例中,吸著劑可展現至少約850 mg/g,諸如至少約1100 mg/g之碘值。在任何具體例中,吸著劑可具有小於約15 wt. %之水分含量。在任何具體例中,合適的吸著劑已經處理以移除含氧表面基團,例如,藉由利用惰性氛圍沖洗吸著劑,將吸著劑置於含有去氧化合物的外殼內,及從含有吸著劑的外殼中機械去除氧氣。在任何具體例中,處理可包含利用惰性氛圍沖洗吸著劑。
吸著劑可用於純化冷卻劑,該冷卻劑可包含油、烴、酮、醚、或其任何氟化衍生物中之一或多者,其視情況具有約34 ℃至約175 ℃之沸點及在1 kHz下小於約10之介電常數。在任何具體例中,合適的冷卻劑可展現不超過約0.8 cSt之動黏度。
在任何具體例中,經冷卻劑冷卻的電子組件可為印刷電路板(PCB)。可藉由使電子組件與冷卻劑接觸來進行冷卻。在任何具體例中,冷卻劑可通過粒徑排阻過濾器來過濾。
本揭示另外提供一種用於純化電子組件之冷卻劑之設備總成或系統,其包含冷卻劑及包含吸著劑之外殼,其中該外殼係經組構以使該吸著劑與該冷卻劑接觸,且其中該吸著劑之特徵在於至少約330之糖蜜值。在任何具體例中,吸著劑可能已利用氮氣沖洗以移除含氧表面基團。在任何具體例中,吸著劑可經提供為惰性填充或真空封裝於外殼中。設備總成可進一步包含泵,其輸送冷卻劑通過吸著劑。在任何具體例中,冷卻劑可係油、烴、酮、醚、或其任何氟化衍生物中之一或多者,視情況具有約34 ℃至約175 ℃之沸點、約-38 ℃至約-138 ℃之冷凍點、及在1 kHz下小於約10之介電常數。在任何具體例中,可使用冷卻劑來冷卻容納於資料中心内的電子組件。視情況,冷卻劑於通過外殼之後可,例如,經由將冷卻劑輸送通過連接於包含吸著劑之外殼下游之粒徑排阻過濾器來過濾。
在描述本發明組成物及方法之前,應理解,本發明之範疇不限於所描述之特定方法、組成物或方法,因此等可變化。亦應理解,描述中所用之術語僅用於描述特定形式或具體例之目的,且並非意欲限制本發明之範疇,本發明之範疇將僅受隨附申請專利範圍限制。除非另外定義,否則本文所用之所有技術及科學術語具有如一般熟悉本技藝者通常理解的相同含義。儘管與本文所述類似或等效的任何方法及材料可用於本發明具體例的實施或測試,但現在描述較佳的方法、裝置、及材料。本文中所提及之所有公開案針對其經識別為描述性的態樣以引用的方式併入。文中之任何內容均不得解釋為承認本發明無權因先前的發明而提前進行此類公開。
如本文件中所使用,除非上下文另有明確指示,否則單數形式「一(a)」、「一(an)」及「該(the)」包括複數參考物。除非另外定義,否則本文所用之所有技術及科學術語具有如一般熟悉本技藝者通常理解的相同含義。本揭示案中之任何內容均不得解釋為承認本揭示中所描述之具體例無權因先前的發明而提前進行此類公開。如本文件所用,術語「包含」意指「包括,但不限於」。
如本文所用,術語「約」意謂其被使用之數字之數值的正負10%。例如,「約50%」表示在45-55%的範圍。
如本文中所使用,術語「電子支架」包括具有電腦系統、電子系統、或資訊技術設備之一或多個發熱組件之任何殼體、框架、支架、隔室、刀片伺服器系統、或其類似者,且可係,例如,具有高端、中端或低端處理能力之獨立電腦處理器。如本文中所使用,「電子組件」係指,例如,電腦系統或其他需要冷卻的電子單元之任何發熱電子組件。舉例而言,電子組件可包含一或多個積體電路晶粒及/或其他欲冷卻之電子裝置,包括一或多個處理器晶粒、記憶體晶粒或記憶體支援晶粒。如本文中所使用,「資料中心」係指包含一或多個待冷卻之電子支架的電腦安裝。作為一特定實例,資料中心可包括一或多列支架安裝式煅燒單元,例如伺服器單元。資料中心可包括隨機存取記憶體(RAM)、一或多個處理資源諸如中央處理單元(CPU)或硬體或軟體控制邏輯、ROM、及/或其他類型的非揮發性記憶體。資料中心的其他組件可包括一或多個磁碟機、一或多個與外部裝置通訊的網絡埠以及各種輸入及輸出(I/O)裝置,諸如鍵盤、滑鼠、和視訊顯示器。此類資料中心、電子組件、或電子支架通常含有一或多個系統,其可操作地在各種電子組件之間或於資料中心、電子組件、或電子支架本身之內傳輸資料,且當連接數個資料中心或電子支架時,此類系統稱為在電子支架或網路內的資料匯流排。此類系統亦可稱為網路或電腦網路。
如本文所用,術語「吸著劑材料」意謂任何展現吸附性質、吸收性質、或吸附性質及吸收性質之組合的材料。吸附性質意謂原子、離子或分子黏附至材料表面。吸收性質意謂原子、離子或分子進入且由材料之總體相保持。舉例而言,吸著劑材料包括但不限於活性碳、再活化碳、天然及合成沸石、矽石、矽膠、氧化鋁、氧化鋯、及矽藻土。如本文所用,「吸著劑材料」係一種組成成分為實質上吸附性及/或吸收性的材料,其中僅最少組分不為吸附性及/或吸收性(例如,使活性碳丸粒維持其形狀所需的最小量黏合劑)。
如本文所用,術語「吸著劑」意謂與一或多種不展現吸附或吸收性質之額外材料呈摻合、混合、複合或化合之吸著劑材料的任何組成物或複合物。舉例而言,吸著劑之一個具體例包括與熱傳導性填料混合之活性碳吸著劑材料。
如本文中所使用,「傳導性污染物」包括其本身或藉由作用於其他材料上可增加電路、跡線或其他存在於電子支架或資料中心內之電氣裝置或組件間之導電性的任何材料。傳導性污染物之實例不受限且包含諸如鋁、銅、鋼、鉛、錫、銀、金、鎘、砷、硒、鎳、汞、鋅、及其他金屬及其合金之金屬碎屑、焊料、助熔劑、水、鹽、離子、碳粒子、陶瓷、導電聚合物、抗蝕劑及類似者中之一或多者。
本文所述之吸著劑或吸著劑材料之特徵可為各種性質,諸如密度、孔隙度、及輸送結構(經由重量分析糖蜜值)、氧含量及混合物含量。可使用來自ASTM International的標準化方法於表徵許多此等不同性質。例如,孔(或空隙)體積可使用ASTM D4284-12(2017)e1或其等效者來測定。孔可表徵為三個一般尺寸範圍。微孔展現小於約2 nm之孔直徑。中孔直徑範圍為2 nm至50 nm,同時大孔直徑大於50 nm。粒度分布可根據ASTM D2862-16或其等效者來測定。水分含量可使用ASTM D2867-17或其等效者來測定。重量分析碘值可使用標準試驗方法ASTM D4607-14或相同工業試驗,例如,卡爾貢碳公司(Calgon Carbon Corporation)試驗TM-4來測定。應注意,重量分析碘值有時可稱為碘值。
如本文所用,「重量分析糖蜜值」或「糖蜜值」意謂根據卡爾貢碳方法(Calgon Carbon Method)編號TM-3,標題「測定活性碳之糖蜜值(Determination of the Molasses Number of Activated Carbon」來測定吸著劑或吸著劑材料之去色能力。完整的試驗程序完整描述於本文中。重量分析糖蜜值報告為每質量的吸著劑或吸著劑材料所測得的無單位量。
吸著劑(且因此,其作為部分之外殼及系統)可用於純化,例如,在使用期間已受到污染之冷卻劑。例如,資料中心構造材料(例如,聚合物、金屬)的一或多種組分可濾出並進入冷卻劑中。在另一實例中,冷卻劑可與構造材料的一或多種組分反應,從而產生可能污染冷卻劑的反應產物。此等傳導性污染物可提高冷卻劑的導電性且因此對電子組件的操作造成風險。因此,可實施系統以移除此類傳導性污染物。因此,本文提供用於純化冷卻劑,例如,用於在浸漬冷卻應用中純化冷卻劑的設備總成及方法。
這類總成包含一容器,其經組構成在一外殼中容納一冷卻劑及一吸著劑,該外殼經組構成使該吸著劑與該冷卻劑接觸。該總成可,例如,包含在用於浸漬冷卻之系統,諸如用於資料中心或其他需要冷卻之電子組件的浸漬冷卻系統中。如 1中所描繪,此一系統 100可包含填充有一體積之冷卻劑 104、電子組件 106及包含吸著劑之外殼 110的槽 102。冷卻劑 104的頂部形成對應於冷卻劑 104填充於槽 102中之液位的表面 108
適用於本文所揭示之方法及設備總成中的合適吸著劑之實例包括,但不限於,碳質炭、活性碳、再活化碳、天然及合成沸石、矽石、矽石黏土、碳奈米管、及石墨烯。較佳地,吸著劑包含活性碳,其後將使用活性碳來例示適用於純化冷卻劑之方法和設備總成的各種態樣。然而,下文所述之任何方法及設備總成可利用如上文所列之任何吸著劑,而不偏離本文所考慮及揭示之方法及系統。
在任何具體例中,吸著劑可包含活性碳。活性碳可自任何已知來源獲得,諸如,但不限於,煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、其他含碳材料(例如經擠壓丸粒)、或其任何組合。可商購的活性碳來源包括,但不限於,ACTICARBONE®活性碳(可得自Calgon Carbon Corporation),諸如BGX,其為源自木材/植物來源且使用磷酸活化的顆粒等級活性碳;RB(亦來自Cargon Carbon Corporation),其為源自煤源的活性碳;或來自Kuraray的活性碳(例如,KURARAY COAL)。
在任何具體例中,可以粉末、顆粒或丸粒形式提供吸著劑(活性碳或其他)。例如,活性碳可以粉末形式或顆粒形式提供,諸如(但不限於)再聚結的碳粉末、由加工(例如,壓碎、粉碎等)彼等以上所列材料所生成的壓碎顆粒。如本文中所用,顆粒活性碳(GAC)係指其經定尺寸以保留在50-網目篩網(約0.300 mm之孔)上的活性碳粒子。如本文所用,粉末狀活性碳(PAC)係指通過80-網目篩網(約0.180 mm之孔)的活性碳粒子。
活性碳可藉由本領域熟知的方法來形成,例如,藉由碳化及活化或經由直接活化。例如,諸如木材、堅果殼、煤、瀝青等等之原料可經蒸汽及/或二氧化碳氣化來氧化及除去揮發成分而在含碳材料中形成孔隙結構,藉此建立吸附位點。氧化及去揮發過程可包括,例如,利用除水化學物(諸如磷酸、硼酸、硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、或其任何組合)進行化學處理。
當吸著劑的水分含量及/或氧含量中之一或多者降低時,可改善吸著劑在液體冷卻劑中的效能。為降低水分含量,可使吸著劑暴露於低於周圍氛圍之大致壓力的絕對壓力,例如低於約101,325 Pa (海平面處之大氣約為101 kPa)或接近真空。替代地或除了使吸著劑暴露至以上的降低壓力外,可將吸著劑加熱至約100 ℃、約125 ℃、約150 ℃、約175 ℃、或約200 ℃之溫度、或由以上溫度之一或多者形成的範圍。
在一些具體例中,可煅燒吸著劑或吸著劑材料以移除氧。煅燒為此項技術中熟知之過程,且可在惰性環境中在約500 ℃至約1000 ℃之溫度下進行。煅燒可在約500 ℃、約550 ℃、約600 ℃、約650 ℃、約700 ℃、約750 ℃、約800 ℃、約850 ℃、約900 ℃、約950 ℃、約1000 ℃或具有對應於以上溫度之一或多者之端點之任何範圍的溫度下執行。
吸著劑材料可藉由控制蒸汽注射速率、溫度、滯留時間、及活化氣體(例如,蒸汽、二氧化碳等)之含量而經活化至期望的表觀密度、糖蜜值及碘值。熟習此項技術者將能夠確定合適的活化條件且視需要最佳化以提供具有期望揭示性質之吸著劑。
例如,適合於本文所揭示之方法及系統之吸著劑(諸如活性碳)可展現約0.2 g/cm 3至約1 g/cm 3,諸如約0.3 g/cm 3至約0.7 g/cm 3、約0.2 g/cm 3至約0.4 g/cm 3、或約0.2 g/cm 3至約0.5 g/cm 3之表觀密度。另外或替代地,吸著劑(諸如活性碳)可展現至少約800 mg/g,諸如約800 mg/g至約2000 mg/g、約900 mg/g至約1500 mg/g、或約1000 mg/g至約1500 mg/g、或約900 mg/g、約1000 mg/g、約1100 mg/g、約1200 mg/g、約1300 mg/g、約1400 mg/g、約1500 mg/g、約1600 mg/g、約1700 mg/g、約1800 mg/g、約1900 mg/g、或約2000 mg/g之碘值。適當的吸著劑,諸如活性碳,可藉由以下表徵:至少約150之重量分析糖蜜值,諸如約150至約200(例如,如以椰子為主)、約200至約600 (例如,如以煤為主)、或約1000至約6000 (例如,如以木材為主);或如下之重量分析糖蜜值:約150、約160、約170、約180、約190、約200、約210、約220、約230、約240、約250、約260、約270、約280、290、約300、約350、約400、約450、約500、約550、約600、約650、約700、約750、約800、約850、約900、約950、約1000、約1100、約1200、約1300、約1400、約1500、約1600、約1700、約1800、約1900、約2000、約2100、約2200、約2300、約2400、約 2500、約2600、約2700、約2800、約2900、約3000、或在以上所列值之兩者或更多者之間形成的任何範圍,或至少大於前述任一值的任何值範圍,諸如至少約150、至少約200、至少約250、至少約300、至少約350、或至少約400。經煅燒的吸著劑之重量分析糖蜜值可能高於未經煅燒的吸著劑的重量分析糖蜜值。本揭示涵蓋具有至少約150之糖蜜值之來自任何來源原料的活性碳,且其適用於本文中揭示的方法及系統。根據本揭示的適當吸著劑(諸如但不限於活性碳)的水分含量低於約15 wt.%、低於約14 wt.%、低於約13 wt.%、低於約12 wt.%、低於約11 wt.%、低於約10 wt.%、低於約9 wt.%、低於約8 wt.%、低於約7 wt.%、低於約6 wt.%、低於約5 wt.%、低於約4.5 wt.%、低於約4.0wt.%、低於約3.5 wt.%、低於約3.0 wt.%、低於約2.5 wt.%、低於約2.0 wt.%、低於約1.5 wt.%、低於約1.0 wt.%、低於約0.5 wt.%、或約15 wt.%、約14 wt.%、約13 wt.%、約12 wt.%、約11 wt.%、約10 wt.%、約9 wt.%、約 8 wt.%、約7 wt.%、約6 wt.%、約5 wt.%、約4.5 wt.%、4.0 wt.%、約3.5 wt.%、約3.0 wt.%、約2.5 wt.%、約2.0 wt.%、約1.5 wt.%、約1.0 wt.%、或約0.5 wt.%、或約0.1 wt.%,或任何由兩個或更多個前述值作為端點所形成的範圍。在某些具體例中,小於約5 wt.%之吸著劑(無論來源為何)具有如由ASTM D2862-16(或其等效者)測定,40網目(US)或0.425 mm或更小之粒徑。適宜的吸著劑另可具有不超過約23 wt. %之灰分含量。適宜的吸著劑可,例如,具有約23%或更小,諸如約20%或更小、約15%或更小、約10%或更小、5%、或約3%或更小之灰分含量。
在任何具體例中,吸著劑(諸如活性碳)可經處理以使表面產物脫附或反應(氧化),該表面產物之存在可藉由任何已知方法來測量,諸如通過X射線光電子光譜術(XPS)、熱重量分析(TGA)、元素分析、溫度程式脫附、傅立葉變換紅外(FTIR)光譜術、貝姆滴定(Boehm Titration)、水吸附、濕度平衡、或確定活性碳在乾燥之前和之後的質量差、或其任何組合。
在任何具體例中,可藉由在至少約500 ℃,例如約500 ℃至約1000 ℃,此範圍內之任何值,諸如約500 ℃、約550 ℃、約600 ℃、約650 ℃、約700 ℃、約750 ℃、約800 ℃、約850 ℃、約900 ℃、約950 ℃、或約1000 ℃下煅燒前驅物吸著劑材料來形成具有降低氧含量(就整體氧或表面氧而言)的吸著劑,從而形成吸著劑材料。在煅燒之後,使吸著劑材料在惰性氛圍下冷卻。煅燒過程係降低所產生吸著劑中之水分和整體氧的主要驅動者,同時在惰性氛圍下冷卻吸著劑可實質上防止在經煅燒之後將水分或氧氣再引入至吸著劑中。煅燒過程不受限制,且包括在惰性氛圍下使吸著劑暴露於本段所述的至少一個前述溫度。惰性氛圍不受限,只要其不因吸著劑之額外表面官能度或活性而影響其即可。此類惰性氛圍之實例包括諸如氦、氖、氬、氪、氙之稀有氣體中之一或多者,及於不賦予催化功能性之某些條件下,惰性氛圍可為氮氣,且在某些具體例中,亦可在真空下進行煅燒。
例如,可在已於氮氣下沖洗以移除氧化表面基團或水分之後提供吸著劑。視情況,吸著劑可經包裝且提供於真空包裝外殼中,其可例如根據美國專利第6,131,368號中所揭示之方法進行,該案以全文引用的方式併入本文。舉例而言,吸著劑可經加熱,然後在氮氣下在不透氣的包裝材料(例如,袋)中冷卻,以在包裝材料中充分地建立真空,此時包裝材料可經隔絕密封。例如,在其中吸著劑包含活性碳的任何具體例中,含碳材料可在惰性氛圍下經加熱至約500 ℃至約1000 ℃,經煅燒一段期望的時間,然後於惰性氛圍中冷卻至100 ℃,在惰性氛圍下放入包裝材料中,然後仍在惰性氛圍下進一步冷卻和密封。
應限制吸著劑材料的整體氧含量,以避免吸著劑材料與冷卻劑中的傳導性污染物反應。舉例而言,整體氧含量可不超過約15 wt.%,不超過約14 wt.%,不超過約13 wt.%,不超過約12 wt.%,不超過約11 wt.%,不超過約10 wt.%,不超過約9 wt.%,不超過約8 wt.%,不超過約7 wt.%,不超過約6 wt.%,不超過約5 wt.%,不超過約4 wt.%,不超過約3 wt.%,不超過約2 wt.%,或不超過約1 wt.%。舉例而言,整體氧含量可在約1 wt.%至約15 wt.%、約1 wt.%至約10 wt.%、或約1 wt.%至約5 wt.%之範圍內。
本揭示另外提供一種利用如上所述之吸著劑純化冷卻劑的方法,該方法包括使該冷卻劑在有效的條件下與該吸著劑接觸,以使該冷卻劑中的傳導性污染物轉移到該吸著劑,例如藉由吸收或吸附。本文所揭示之方法及系統中適用之適合吸著劑的實例包括,但不限於,碳質炭、活性碳、再活化碳、天然及合成沸石、矽石、矽石黏土、奈米管及石墨烯。例如,合適的吸著劑(諸如活性碳)可展現約0.2 g/cm 3至約1 g/cm 3,諸如約0.3 g/cm 3至約0.7 g/cm 3,約0.2 g/cm 3至約0.4 g/cm 3,或約0.2 g/cm 3至約0.5 g/cm 3的表觀密度。另外或替代地,吸著劑(諸如活性碳)可展現至少約800 mg/g,諸如約800 mg/g至約2000 mg/g、約900 mg/g至約1500 mg/g或約1000 mg/g至約1500 mg/g的碘值。適宜的吸著劑(諸如活性碳)可以至少約150,諸如約150至約250(例如,若以椰子為主)、約330至約600(例如,若以煤為主)或約1000至約6000(例如,若以木材為主)之重量分析糖蜜值來表徵。適宜的吸著劑亦可具有小於約15%之水分含量,諸如小於約10%、小於約2.5%或約0.01%至約2.5%。較佳地,小於約5 wt.%之吸著劑(無論來源為何)具有如由ASTM D2862-16(或其等效者)所測定,40網目(US)或0.425 mm或更小之粒徑。適宜的吸著劑另可具有不超過約23 wt.之灰分含量。適宜的吸著劑可,例如,具有約23%或更小,諸如約20%或更小、約15%或更小、約10%或更小、5%、或約3%或更小之灰分含量。
為有效地使冷卻劑與吸著劑接觸,可以適於被動或主動過濾冷卻劑之形式提供吸著劑。例如,返回至 1,可以料匣形式提供吸著劑,以與外殼 110組合使用,使得可根據需要更換料匣。外殼 110可包含入口 114及出口 116,以主動地傳輸冷卻劑通過外殼 110中之吸著劑料匣。熟習本技藝者將熟悉適於使用泵來輸送冷卻劑通過吸著劑過濾器的方法及設備。例如,可使用任何通常用作汽車燃料泵的泵。或者,外殼本身可為冷卻劑可滲透,例如具有穿孔壁,其中冷卻劑可被動接觸吸著劑。此組態可尤其適用於需要較小體積冷卻劑之情況,且向過濾器擴散傳導性污染物足以將其移除。視情況,外殼可另外包含或連接至吸著劑下游的粒徑排阻過濾器,以捕捉在包含吸著劑之外殼之流出物中掃出的任何吸著劑材料。例如,過濾器可為約325網目至約40網目,諸如約200網目至約40網目、約100網目至約40網目、或約80網目至約40網目。如本文中所使用,網目尺寸對應於US尺寸,其中325網目對應於44微米開口尺寸,200網目對應於約75微米開口尺寸,100網目對應於約150微米開口尺寸,80網目對應於約180微米開口尺寸,及40網目對應於約425微米開口尺寸。
吸著劑可以大約為冷卻劑中之預期污染質量之二至三倍的量提供於外殼中,此量低於技藝中的目前建議量。例如,可總計將由冷卻劑接觸之彈性體質量的總量,隨後假設該質量之約0.1%(若相對清潔)至約25%(在極端情況中)係可能濾出至冷卻劑中之污染。在任何具體例中,例如,可使用約200 g吸著劑來自至多約800 L冷卻劑移除傳導性污染物。在任何具體例中,用於純化冷卻劑之方法可包含移除吸著劑且用新鮮吸著劑替換該吸著劑。視情況,吸著劑,尤其在吸著劑包含活性碳的具體例中,吸著劑可藉由技藝中已知用於進行此操作的任何方法來再活化或煅燒。
浸漬冷卻系統、設備總成和其中所含的吸著劑在相容冷卻劑方面並無特定限制,並且可用於純化適用於冷卻電子組件的任何冷卻劑。熟習此項技術者將熟悉各種有用的冷卻劑以及其期望性質。一般而言,浸漬冷卻利用單相或兩相冷卻系統來消散電子組件生成的熱。單相冷卻系統中之冷卻劑通常以液相形式提供,並在冷卻過程中保持呈液相,使用對流、機械攪動或其組合將從電子組件轉移的能量消散至冷卻劑。能量流的方向(從裝置或至裝置)由裝置與熱傳送機制之間的相對能量(亦即,溫度)差來確定。在兩相系統中,冷卻劑通常亦作為液體提供。於電子組件之表面形成的熱將轉移至液體冷卻劑,將其汽化以形成氣泡,其上升至液體冷卻劑之表面。位於液體冷卻劑表面上方的冷凝器可在低於上升蒸汽之冷凝溫度的溫度下操作,藉此將汽化冷卻劑凝結回其液相。
在任何應用中,適用於冷卻電子組件的冷卻劑可具有足夠低的介電常數及導電性,以避免電子組件之任何電路問題。例如,合適的冷卻劑可具有在1 kHz下小於約10(例如,約0.1至約10)的介電常數(例如,如根據ASTM D924所測定),較佳地小於約7.5(例如,約0.1至約7.5)。適宜的冷卻劑可具有低於約108 歐姆·公分至約1015 歐姆·公分的電阻率(例如,如根據ASTM D257-14所測定)。
另外,冷卻劑可具有足以將能量從電子組件轉移出去的導熱率及比熱,以及允許冷卻劑自由移動的黏度。例如,合適的冷卻劑可具有約1000 J/kg·K至約1350 J/kg·K之比熱(例如,如根據ASTM E1269-11(2018)所測定)。合適的冷卻劑可具有約0.05 W/m ℃至約0.5 W/m ℃的導熱率(例如,如根據ASTM D2717-86所測定)。合適的冷卻劑可具有不超過約0.80 cSt(諸如約0.25 cSt至約0.80 cSt)的動黏度(例如,如根據ASTM D341-77量測)。
例如,適用於單相冷卻系統的冷卻劑可展現高大氣沸點。在兩相冷卻系統中,冷卻劑的沸點可低於電子組件的工作表面溫度(以確保在界面處蒸發),但沸點高於環境工作溫度,以確保冷卻劑整體在典型操作條件期間保持呈液相。例如,兩相系統中之合適冷卻劑可具有約34 ℃至約175 ℃、約40 ℃、約45 ℃、約50 ℃、約55 ℃、約60 ℃、約65 ℃、約70 ℃、約75 ℃、約80 ℃、約85 ℃、約90 ℃、約95 ℃、約100 ℃、約105 ℃、約110 ℃、約115 ℃、約120 ℃、約125 ℃、約130 ℃、約135 ℃、約140 ℃、約145 ℃、約150 ℃、約155 ℃、約160 ℃、約165 ℃、約170 ℃、或約175°之沸點。兩相系統中之冷卻劑亦可展現高蒸發潛熱。
冷卻劑可為單一流體或可為流體之混合物。適合之冷卻劑的實例包括, 但不限於,油(例如,礦物油、植物油、蓖麻油、聚矽氧油)、酮及全氟化酮(例如,由3M公司銷售的NOVEC 649或NOVEC 774)、烴類及全氟化烴類(例如,由3M公司銷售的FC-72、FC-84、FC-3284、FC-3283、FC-40)、聚苯基醚或氫氟醚(HFE)流體(例如,由3M公司銷售的SANTOVAC 5泵流體、NOVEC 7000、NOVEC 7100、NOVEC 7200、NOVEC 7300、NOVEC 7500、或NOVEC 7700)、氫氟醚烯烴(HFEOs)、氫氟烯烴(HFOs)、六氟丙烯三聚體(例如,如美國專利第10,662,359號中所揭示,該案以全文引用的方式併入本文,包括其對三聚體之揭示)、二苯基醚/聯苯、或其任何混合物。在一些具體例中,冷卻劑係通過粒徑排阻過濾器過濾。
利用如本文所揭示之吸著劑的浸漬冷卻系統可進一步包括除上文所列者之外的組件。如 1所示,冷卻劑 104以及電子組件 106係容納在槽 102中,該槽102可由焊接金屬(例如,碳鋼、鋁、不銹鋼)或玻璃製成,且經隔熱以防止熱損失。槽可經充分定尺寸以於其中收容足以冷卻電子組件之冷卻劑。例如,槽可為約500 L、約550 L、約600 L、約650 L、約700 L、約750 L、約800 L、約850 L、約900 L、約950 L或約1000 L。在諸如 2所示之兩相冷卻系統 200中,提供槽 202,其具有一體積之冷卻劑 204及包含於其中之電子組件 106。槽 202中亦包含外殼 110,其包含吸著劑。外殼 110可包含入口 114及出口 116,且在一些具體例中,外殼110可連接至泵 112。在兩相冷卻系統 200中,上升至冷卻劑表面 208的汽化冷卻劑 226將於冷卻劑表面 208上方產生稱為蒸氣區 218之蒸氣的頂部空間。兩相冷卻系統 200可因此另外包含位於蒸氣區 218內之冷凝器 220以重新液化汽化冷卻劑。兩相系統亦可包含乾燥劑 222,以收集遷移至蒸氣區上方之頂部空間 224之水。乾燥劑 222因此可位於蒸氣區 218上方且以足以收集預期水之量(諸如以至少預期水質量之五倍的量)提供。
在本文所揭示之任一組態中,存在當冷卻劑接觸吸著劑時,吸著劑之粒子被夾帶於冷卻劑中的可能性。因此,可考慮在本揭示所述的系統中,視情況包括至少一個粒徑排阻過濾器,其移除或以其他方式防止吸著劑之粒子在其流動時進入冷卻劑。浸漬冷卻系統及設備總成可另外包含壓力控制,例如,通過連接至控制電磁閥之機械及壓力開關的風箱,以及用於控制液位的泵、熱源、散熱器、冷凍系統、主動或被動溫度控制系統、熱交換器或其任何組合。
本發明提供一種純化電子組件之冷卻劑之方法,其包含:使該冷卻劑與吸著劑接觸,其中該吸著劑的特徵為至少330之重量分析糖蜜值。
在一些具體例中,吸著劑為活性碳。
在一些具體例中,活性碳係由煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、及其他含碳材料中之一或多者形成。
在一些具體例中,吸著劑係藉由在惰性氛圍下在至少約500 ℃之溫度下煅燒含碳材料而形成。
在一些具體例中,吸著劑之表觀密度為約0.2 g/cm 3至約1 g/cm 3
在一些具體例中,吸著劑之碘值為至少約850 mg/g。
在一些具體例中,吸著劑之碘值為至少約1100 mg/g。
在一些具體例中,吸著劑的水分含量小於約15 wt.%。
在一些具體例中,吸著劑經處理以移除含氧表面基團。
在一些具體例中,移除含氧表面基團之處理包含下列中之一或多者:利用惰性氛圍沖洗吸著劑,將吸著劑放置於具有去氧化合物的外殼內,及從含有吸著劑的外殼中機械去除氧氣。
在一些具體例中,處理包含利用惰性氛圍沖洗吸著劑。
在一些具體例中,冷卻劑包含油、烴、酮、醚、或其任何氟化衍生物中之一或多者。
在一些具體例中,冷卻劑具有約34 ℃至約175 ℃之沸點及在1 kHz下小於約10之介電常數。
在一些具體例中,冷卻劑具有不超過約0.8 cSt之動黏度。
在一些具體例中,電子組件為印刷電路板(PCB)。
在一些具體例中,該方法進一步包含使該電子組件與該冷卻劑接觸。
在一些具體例中,該方法進一步包含輸送包含吸著劑之外殼的流出物通過粒徑排阻過濾器。
本發明提供一種用來純化電子組件之冷卻劑的系統,其包括:冷卻劑及包含吸著劑之外殼,其中該外殼係經組態以使該吸著劑與該冷卻劑接觸,其中該吸著劑之特徵在於至少330之糖蜜值。
在一些具體例中,吸著劑已利用氮氣沖洗以移除含氧表面基團。
在一些具體例中,吸著劑係惰性包裝或真空包裝於外殼中。
在一些具體例中,該系統進一步包含輸送冷卻劑通過吸著劑的泵。
在一些具體例中,冷卻劑包含油、烴、酮、醚、或其任何氟化衍生物中之一或多者。
在一些具體例中,冷卻劑具有約34 ℃至約175 ℃之沸點、約-38 ℃至約-138 ℃之冷凍點、及在1 kHz下小於10之介電常數。
在一些具體例中,電子組件係容納在資料中心中。
在一些具體例中,該系統進一步包含連接於包含該吸著劑之該外殼下游的粒徑排阻過濾器。 實例
在描述實例之前,將完整描述試驗方法。
重量分析糖蜜值之測定
為測定重量分析糖蜜值,利用卡爾貢碳公司試驗方法編號TM-3 (「TM-3」)。TM-3係用來測定活性碳的去色能力。活性碳的去色能力描述活性碳的孔結構和材料輸送。根據TM-3測定重量分析糖蜜值。
限制:用於試驗的糖蜜溶液濃度係取決於標準碳。如本文所用,「標準碳」係用於重量分析糖蜜值特性之參考材料的活性碳吸著劑材料。如熟習此項技術者所瞭解,可預期「200標準碳」產生200之重量分析糖蜜值,可預期「250標準碳」具有250之重量分析糖蜜值,依此類推。200標準碳必須用於經預測具有小於230重量分析糖蜜值的活性碳產品。250標準碳必須用於經預測具有小於350重量分析糖蜜值的活性碳產品。400標準碳必須用於經預測具有350或更大重量分析糖蜜值的活性碳產品。每當產品具有包括糖蜜標準碳限值的糖蜜規格範圍時,應使用較高的糖蜜標準碳 。在此等情況中,適當的做法係包括待利用於產品規格的糖蜜標準碳作為製造附註。糖蜜溶液無法經稀釋。必須使用2.5 mm的固定路徑長度。
如熟習此項技術者所瞭解,標準碳並無限制,只要其係適合用於糖蜜值之參考材料即可。400標準碳之一個實例為「RB」,其可獲自賓州月亮鄉之卡爾貢公司(Calgon Carbon Corporation of Moon Township, PA)。RB係由煙煤製成的粉末狀、蒸汽活化碳,其具有1070 mg/g之最小重量分析碘值、400之重量分析糖蜜值、23 wt.%之最大灰分含量、2 wt.%之最大水分含量、及60 wt.%至75 wt.%之於325網目篩出或尺寸小於44微米之粒子。320標準碳之第二個實例為「RC」,其可獲自賓州月亮鄉之卡爾貢公司。RC係由煙煤製成的粉末狀、蒸汽活化碳,其具有1020 mg/g之最小重量分析碘值、320之重量分析糖蜜值、23 wt.%之最大灰分含量、2 wt.%之最大水分含量、及60 wt.%至75 wt.%之於325網目篩出或尺寸小於44微米之粒子。230標準碳之第三個實例為「BL」,其可獲自賓州月亮鄉之卡爾貢公司。BL係由煙煤製成的粉末狀、蒸汽活化碳,其具有1000 mg/g之最小重量分析碘值、230之重量分析糖蜜值、10 wt.%之最大灰分含量、2 wt.%之最大水分含量、及60 wt.%至75 wt.%之於325網目篩出或尺寸小於44微米之粒子。
方法原理:將赤糖糊(blackstrap)糖蜜之溶液用未知去色能力的碳及用具有以上指定之糖蜜值的標準碳處理。使用較高標準碳來量測去色曲線之平坦部分中的值,如 3所示。在標準分光光度計上於472 nm之波長下利用2.5 mm的路徑長度來測定濾液的吸光度。樣本的糖蜜值係由樣本和標準碳之吸光度值的比值計算得。
安全措施:當操作實驗室設備時,應始終小心謹慎並使用良好的實驗室技術。進行此試驗的人員應熟悉與本程序所用設備相關的潛在安全危害。
TM-3中使用的儀器列於下表1: 1
裝置或 儀器 描述或註解:
乾燥烘箱 電熱式強制對流乾燥烘箱,可維持150 ± 5 ℃之恒定溫度。
熱板/攪拌器 可於3.5分鐘或更短時間內將50 mL去離子/蒸餾水沸騰;Thermolyne Cimerac 3、Corning PC-320型或類似者;熱板的表面溫度應維持在 350 ± 20 ℉ (177 ± 11 ℃)。
分光光度計 Spectronic® GenesysTM 分光光度計,配備有過濾器支架,以容納 2.5 mm固定路徑單元。儀器的使用波長為472 nm。可使用等效的分光光度計,只要使用2.5 mm固定路徑長度單元即可。使用前,讓儀器暖機30分鐘。如使用Spectronic® GenesysTM分光光度計,則鎢球的操作壽命為 1000小時。若使儀器一直處於開機狀態,則將需要每月更換燈泡一次。儀器具有內建程式以追蹤燈泡時數,並可在儀器上的公用程式功能中存取。更多詳細資訊參見製造商的說明書。光譜掃描之一實例示於圖4,其描繪糖蜜過濾器之透射率成光波長之函數。
KlettTM Summerson 單元 2.5 mm固定路徑長度,光學玻璃;可購自Hellma, 118-21 Queens Blvd, Forest Hills, NY 11375, 718-544-9534;零件編號700.011。
燒杯 Kimax或Pyrex品牌400 mL的Griffin型。檢查所有燒杯,確保玻璃底部平整。凹面或凸面形狀的底部將產生錯誤的結果。附錄B中包括燒杯的可選標準化。標準化將提高實驗室內的精密度;然而,供應商可能無法長期供應一致的燒杯。
量筒 有刻度,A級,經校準以傳遞50 mL和1000 mL
移液管 50 mL體積,A級
布氏漏斗 尺寸D,71 mm內徑
燒瓶 具有側臂的過濾燒瓶,250 mL
濾紙 Whatman® No. 3,7 cm或類似者
真空泵 任何能夠在0 ℃下抽取27英吋(685.8 mm)汞柱真空的單元。
天平 可秤重至最接近的 0.1 毫克。
數位熱電偶或溫度計 可量測至10 ℃與120 ℃之間最接近的十分之一度,至少每秒更新一次讀數。
碼錶  
在TM-3中使用的試劑列於下表2: 2
試劑 描述或註解:
ASTM II型 水 電導(μΩ) < 1.0 電阻(MΩ) > 1.0 如在TM-3的背景下使用,術語「水」意指ASTM II型水。
濾紙 懸浮液 在攪拌器中添加16片圓形(撕成四等分)的Whatman® No. 3濾紙和一公升水。高速混合30秒。轉移至適當的容器。
光譜標準 Spectro-Chek組可從VWR Scientific,目錄編號 58019-106取得。該組由四個溶液組成,其中只有兩個將用於在可見範圍中檢查儀器。遵循「監測可見範圍的程序,章節A - 可變波長儀器」中的說明。此組將監測組件隨時間的劣化。建議每周檢查一次標準,以驗證儀器操作。
糖蜜 標準碳 200、250及400標準碳可由卡爾貢碳公司製造品質保證組織(Manufacturing Quality Assurance Organization)獲得。200標準碳係用於預測糖蜜值小於230的所有活性碳產品。250標準碳係用於預測糖蜜值大於230且小於350的所有活性碳產品。400標準碳係用於預測糖蜜值大於350糖蜜值的所有活性碳產品。將於適當範圍內提供統計上有效的標準碳,且必須用於計算。
內部 碳標準 建議運行一個内部碳標準。取得足量具有介於200至300間之糖蜜值的碳並粉碎至95%、-325網目。將碳烘乾,並測定十(10)個碳的重複糖蜜值分析。使用從十次重複獲得的數據,建立SPC(統計過程管制)圖表。使用標準SPC指引來計算碳的管制上限和下限。一旦建立限值,即在分析樣本之前先分析內部碳標準。如果發現結果在控制內,則進行樣本分析。如果結果失控,則必須執行步驟來確定失控結果的原因。一旦針對内部標準碳獲得在控制內的結果,則繼續進行樣本分析。繼續繪製結果圖,並遵循標準SPC指引來確定内部碳標準的失控趨勢。
赤糖 糊糖蜜 Plantation品牌的赤糖糊糖蜜(Allied No. 444),購自:Allied Old English, Inc. 100 Markley Street Port Reading, NJ 07064 注意:來自其他來源的糖蜜將不會得到同等結果,且係控制試驗可重複性與再現性的重要因素
糖蜜 溶液 用一公升去離子/蒸餾水(根據ASTM II型)總體積稀釋足量(大約50克/公升)的赤糖糊糖蜜,以當利用糖蜜200或250標準碳處理時,產生具有0.630至0.650之吸光度的濾液,及當利用糖蜜400標準碳處理時,產生具有0.390至0.410之吸光度的濾液。參見表3關於針對兩種標準碳之糖蜜溶液的製備及標準化。
糖蜜溶液係根據以下程序來製備: 1.    將約50克的赤糖糊糖蜜稱重至清潔、乾燥的燒杯中並擱置直至將水加熱至95 ℃。 2.    使用量筒,向不銹鋼燒杯中添加1000 mL的ASTM 2型水。 3.    將燒杯以鋁箔或大型玻璃蓋覆蓋,置於熱板上並加熱至95 ℃。 4.    當水達到95 ℃時,將經稱重的糖蜜轉移至不銹鋼燒杯中並攪拌以充分混合。將不銹鋼燒杯自熱板移開。 5.    使溶液冷卻至室溫(約25 ℃)。 6.    將來自不銹鋼燒杯的糖蜜溶液吸至合適的容器中。將一根TYGON管放入燒杯中,使得管的末端離燒杯底部一英吋。使用移液管球來開始進行虹吸。將溶液吸至另外的容器(例如,大玻璃瓶)中。 7.    捨棄剩餘的燒杯內容物。將糖蜜溶液儲存於冰箱中至多24小時。在執行試驗方法時,將糖蜜溶液保持在冰上。 8.    將0.46 ± 0.0002克的250糖蜜標準碳稱重至清潔、乾燥的400 mL燒杯中。
200 250 標準碳標準化9.    將50 mL的糖蜜溶液移液至燒杯中。在添加糖蜜溶液的同時使燒杯渦旋,直至完全潤濕碳。 10. 將燒杯置於熱板上及將熱電偶/溫度計置於燒杯中,使得尖端位於燒杯底部。將溶液加熱直至熱電偶/溫度計達到98 ℃並啟動碼錶。移除熱電偶或溫度計,並使溶液沸騰30秒。 11. 使用先前製備的Whatman® No. 3濾紙,通過布氏漏斗來真空過濾樣本。用約20 mL溶液覆蓋過濾器並棄置此濾液。剩餘部分經過濾。 12. 在分光光度計上在472 nm波長下,使用2.5 mm固定路徑單元來測量並記錄濾液的吸光度。當吸光度在0.630與0.650之間時,將溶液視為經標準化。 13. 當吸光度大於0.650時,將溶液視為過暗。為確定待添加的水量,量測糖蜜溶液之量及將其乘以0.640且乘以自步驟12記錄的吸光度。減去該等數字,結果為待添加至糖蜜溶液中之水量的毫升數。加入水且充分混合溶液。重複步驟8-13,直至三個連續分析樣本具有0.630至0.650之間的吸光度值為止。 14. 當吸光度小於0.630時,將溶液視為過亮。為確定待添加的糖蜜量,測量糖蜜溶液之量並將其乘以0.640且乘以自步驟12記錄的吸光度。減去兩個數字,將減去的結果除以10,且使用除得的結果作為添加至小玻璃燒杯中之糖蜜的量(重量)。將約25 mL的糖蜜溶液添加至燒杯中以溶解糖蜜。將燒杯在熱板上加熱至90 ℃,之後稍微冷卻。將內容物添加至糖蜜溶液中並充分混合。重複步驟8-14,直至獲得三個具有介於0.630與0.650間之吸光度值的連續樣本為止。
400 標準碳標準化15. 將0.46 ± 0.0002克的400糖蜜標準碳稱重至清潔乾燥的400 ml燒杯中。 16. 將50 mL的糖蜜溶液移液至燒杯中。在添加糖蜜溶液的同時使燒杯渦旋,直至碳被徹底潤濕。 17. 將燒杯置於熱板上及將熱電偶/溫度計置於燒杯中,使得尖端位於燒杯底部。將溶液加熱直至熱電偶/溫度計達到98 °C並啟動碼錶。移除熱電偶或溫度計,並使溶液沸騰30秒。 18. 使用先前製備的Whatman® No. 3濾紙,通過布氏漏斗來真空過濾樣本。用約20 mL溶液覆蓋過濾器並棄置此濾液。將剩餘30mL部分過濾並用於後續測量。 19. 在分光光度計上在472 nm波長下,使用2.5 mm固定路徑單元來測量並記錄濾液的吸光度。當吸光度在0.390與0.410之間時,將溶液視為經標準化。 20. 當吸光度大於0.410時,將溶液視為過暗。為確定待添加的水量,測量糖蜜溶液之量並將其乘以0.400且乘以自步驟19所記錄的吸光度。減去數字,結果為欲添加至糖蜜溶液中之水量的毫升數。加入水且充分混合溶液。重複步驟15-20,直至獲得三個具有介於0.390與0.410間之吸光度值的連續樣本為主。 21. 當吸光度低於0.390時,將溶液視為過亮。為確定待添加的糖蜜量,測量糖蜜溶液之量並將其乘以0.400且乘以自步驟19記錄的吸光度。減去兩個數字,將減去的結果除以10,且除得的結果為欲添加至小玻璃燒杯中的糖蜜量(重)。將約25 mL的糖蜜溶液添加至燒杯中以溶解糖蜜。將所得溶液在熱板上加熱至90 ℃,然後稍微冷卻。將內容物添加至糖蜜溶液並充分混合。重複步驟15-21,直至獲得三個具有介於0.390與0.410間之吸光度值的連續樣本為止。
視情況,燒杯係標準化的。燒杯標準化旨在識別和除去沸騰時間明顯不同於試驗所用之其他者的燒杯。除去此等燒杯可提高實驗室內的精密度。當供應商無法長期供應一致的燒杯時,應建立所有受測試燒杯的新平均值。該平均值不應包括超過三(3)個標準差的該等燒杯。
燒杯係根據以下程序標準化: 1.    以數字或其他特定標記來識別所有燒杯。 2.    使用50 mL移液管,將50 mL的去離子/蒸餾水添加至待標準化用於TM-3之400 mL燒杯中的每一者。 3.    將燒杯放在熱板上,並插入熱電偶或溫度計,使其位於燒杯底部並啟動碼錶。 4.    測量燒杯中的水達到95 ℃所需的時間,並將時間記錄至最接近的秒數。 5.    確定該組燒杯經標準化的平均時間。 6.    可將具有平均時間±20秒的燒杯用於樣本分析和TM-3的標準化。 7.    不落在20秒範圍內的燒杯不可用於分析樣本或TM-3之標準。
根據下列程序分析樣本: 1.    提供碳樣本且將其研磨直至其之95%或更多通過325網目篩網。若樣本並非來自最近製造,則在使用前將其在150 ℃下乾燥至恒定重量。標準碳內部碳標準係以相同方式製備。對等量進行粉碎以確保材料的精細度相等。 2.    將0.46 ± 0.0002克的乾燥、粉碎的碳樣本部分稱重至另外的清潔乾燥的400 mL燒杯中。 3.    準備用於樣本過濾的過濾設置。將Whatman® No. 3過濾圓放置在布氏漏斗中。將漏斗連接至250 mL過濾燒瓶且起始過濾真空。添加50 mL濾紙懸浮液,同時確保塗覆濾紙圓之整個表面。排出所有液體後,棄置收集在過濾燒瓶中的濾液。 4.    將50 mL的標準化糖蜜溶液移液至含有待分析碳的燒杯中。在添加糖蜜溶液的同時使燒杯渦旋,直至完全潤濕碳。 5.    將燒杯置放於熱板上,且將熱電偶或溫度計置於燒杯中,使得尖端位於燒杯底部。將溶液加熱直至熱電偶讀數為98 ℃且啟動碼錶。移除熱電偶或溫度計,並使溶液沸騰30秒。 6.    使用先前根據步驟3製備的Whatman® No. 3濾紙,通過布氏漏斗真空過濾樣本。以約20 mL之樣本覆蓋過濾器且棄置此濾液。剩餘部分經過濾。 7.    在分光光度計上在472 nm波長下,使用2.5 mm固定路徑KlettTM Summerson單元來測量並記錄濾液的吸光度。使用去離子或蒸餾水作為參考。 8.    計算糖蜜值: 糖蜜值 = (A × B) / C 其中A為標準碳(250或其他)之糖蜜值;B為250標準碳或其他標準碳之三次測定之平均吸光度;且C為所分析之活性碳之濾液的吸光度。 9.    糖蜜值使用習知四捨五入技術報告至最接近的10增量。(例如 226 = 230)
確定接觸 pH 值和中和
為確定接觸pH值,利用卡爾貢碳公司試驗方法編號TM-62 (「TM-62」)。此方法旨在以1份碳比4份水的重量比率,測量與粒狀活性碳靜態接觸之水的pH值。亦可確定中和混合物之需求。接觸pH值之確定係如下文所述來進行。 1.    稱重25.0 g粒狀活性碳樣本的代表性部分至400 ml燒杯中。除非樣本係來自最近產品,否則在使用前將樣本在150 ℃下烘乾3 小時,並在乾燥器中冷卻至室溫。 2.    加入100毫升的試劑水。試劑水係描述為ASTM D 1193 II型。新近煮沸的蒸餾水或去離子水通常符合II型水的要求。 3.    加入磁力攪拌棒並以慢速攪拌混合物5分鐘。 4.    5分鐘後,停止攪拌並使碳沉降1分鐘。 5.    將電極置於溶液中並讀取pH值。將此pH值報告為「接觸pH」。
在量測接觸pH之後,可通過酸或鹼滴定執行可選的中和實驗,進行直至達到7之終點pH。根據TM-62方法,此係如下執行: 1.    在攪拌混合物時,使用適當試劑緩慢滴定。終點為pH 7持續大約一分鐘。若接觸pH >7,則使用0.10 N HCl。若pH < 7,則使用0.10 N NaOH。 2.    報告達成中和所需的「試劑mL數」。
測定碳懸浮濾液的 pH 值及其中和
此方法係經設計成確定滴定由過濾已添加至100 mL的去離子水且於25 ℃溫控水浴中輕輕搖動24小時之25 g粒狀碳懸浮液所產生之濾液所需之酸(0.004 N HCl)或鹼(0.004 N NaOH)的量。24小時後,使用重力或真空過濾來過濾粒狀碳懸浮液。測量濾液的初始pH。若濾液的初始pH > 7,則將0.004 N HCl緩慢滴定至濾液中,直至達到pH 7終點。記錄中和濾液所需的0.004 N HCl之體積。使用此資訊,熟習此項技術者可比較不同碳之鹼性特徵。如熟習此項技術者將瞭解,碳愈鹼性,就需要愈多酸來中和其濾液。
反之,若濾液的初始pH < 7,則將0.004 N NaOH緩慢滴定至濾液中,直至達到pH 7終點。記錄中和濾液所需的0.004 N NaOH之體積。利用此資訊,可以比較不同碳的酸性特性。碳愈酸性,就需要愈多酸來中和其濾液。
透過質量滴定來確定零電荷點 pH
碳之零電荷點(PZC)pH,在本文中稱為pH PZC,描述淨碳表面電荷為零時的pH值。若比較兩種碳,則具較高pH PZC值之碳顯示更鹼性的碳表面。相反地,若比較兩種碳,則具較低pH PZC的碳更為酸性。零電荷點pH係基於「Valdes H.等人,「臭氧處理對活化碳之表面特性的影響(Effect of Ozone Treatment on Surface Properties of Activation Carbon)」, Langmuir, Vol 18, 2002, pp. 2111-2116」中所述的方法,其全部內容以引用的方式併入本文。為確定pH PZC,遵循以下程序: 1.    藉由添加適量的硝酸鈉至經煮沸的去離子水中來產生三種不同的0.1N硝酸鈉(NaNO 3)。 2.    使用0.1N硝酸或氫氧化鈉的少量添加來將0.1N硝酸鈉溶液的pH值調整至3、6或11之pH。 3.    對於不同pH之各溶液,將40 ml該溶液添加至七個50 ml離心管之組中。 4.    對於含有經調整pH之硝酸鈉溶液之七支離心管之各個組,添加粒狀碳以達到0.1、1.0、5.0、10.0、15.0及20.0 wt %之碳質量濃度。第七個管不含碳且係作為空白納入分析中。 5.    一旦將碳加入溶液,即在溫控水浴中在25 ℃下輕輕搖動碳懸浮液24小時。 6.    24小時後,將溶液從水浴中取出,且允許碳沉降約1小時。 7.    接下來,使用pH探針量測各碳懸浮液之pH。檢查「空白」溶液,以確保24小時期間內一致的pH值。 8.    對於使用pH 3、6或11溶液的一組樣本,將pH繪製成碳質量的函數。隨後將碳之pH PZC值定義為三個樣本組中之每一者所量測之pH已達到穩定之點。預期此穩定pH通常將相同,與碳懸浮於其中之硝酸鈉的初始pH無關。
熱重分析 (TGA)
將碳樣本置放於TGA設備(TA儀器型號TGA 500)中並在氮氣流下惰性地加熱,同時將樣本自約25 ℃加熱至900 ℃。使用設備中的靈敏天平來測量樣本在經加熱時的質量損失。含有水分之樣本可能在高達約100 ℃之溫度下損失質量,且其他表面氧化物可在約200至900 ℃範圍內之溫度下作為CO或CO 2自樣本驅動。因此,熟習此項技術者可通過檢查兩種碳之間的相對質量損失程度,諸如可能已經天然氧化的原料活性碳相對於該原料的經煅燒形式,來比較樣本中的表面氧物種或水分量。已經歷高溫煅燒過程的碳在該過程可能已喪失水分和表面氧部分,因此相對於相同材料的未經煅燒進料,在TGA中將損失較少質量。
元素氧分析
活性碳樣本的「整體」氧含量可使用元素分析儀來測量。在此上下文中,整體氧定義為可能存在於整個樣本中的任何氧,相對於僅如通過諸如X射線光譜法(XPS)的輔助技術測定之僅在碳表面的前幾奈米中測得的氧。使用Elementar vario El立方體測定各種乾碳樣本之整體氧含量,其將樣本加熱至高溫且使用紅外偵測器來確定氧濃度。使用此裝置,技術人員可以比較經煅燒和未經煅燒活性碳之間的氧含量差。
測定活性碳的水分含量
為測定活性碳樣本的水分含量,進行卡爾貢碳公司試驗方法No. TM-1 (「TM-1」)。此TM-1試驗與ASTM D2867相同。
測定活性碳的碘值
為測定活性碳樣本的灰分含量,進行卡爾貢碳公司試驗方法No.TM-4(「TM-4」)。此TM-4試驗與ASTM D4607相同。
測定活性碳的灰分含量
為測定活性碳樣本的灰分含量,進行卡爾貢碳公司試驗方法No.TM-5(「TM-5」)。此TM-5試驗與ASTM D2866相同。
測定活性碳的表觀密度
為測定活性碳樣本的灰分含量,進行卡爾貢碳公司試驗方法No. TM-7(「TM-7」)。此TM-5試驗與ASTM D2854相同。
實例 1 - 各種活性碳的相容性
篩選衍生自各種來源且藉由各種方法製備之各種活性碳以使用作為用來純化冷卻劑的吸著劑,如下表3所示。BGX為基於木材的粒狀活性碳,其具有約1550-1650 m 2/g之N 2BET或吸附比表面,2.5 wt.%之灰分含量,及約0.24 g/cm 3之適當位置密度,且可從賓州月球鄉的卡爾貢碳公司取得。RB為基於煤的粉末狀活性碳,其具有至少1070 mg/g之碘值、不超過23 wt.%之灰分含量、不超過2 wt.%之水分含量、及約60-75 wt.%之-325 US網目之濕篩網網目尺寸,且可從賓州月球鄉的卡爾貢碳公司取得。 3
尺寸 ( 網目 ) 酸洗? 乾燥程序
椰子來源CP11 12x20
椰子來源CP13 12x20
Kuraray GC 碳  
Kuraray GC 碳   N 2/爐
Kuraray GC 碳   真空
Kuraray GC 碳   空氣/溶劑烘箱
Kuraray GC 碳5% H2  
Kuraray GC 碳5% H2   N 2/爐
Kuraray GC 碳5% H2   真空
Kuraray GC 碳5% H2   空氣/溶劑烘箱
Kuraray 「Cebu」碳  
Kuraray 「Cebu」碳   N 2/爐
Kuraray 「Cebu」碳   真空
Kuraray 「Cebu」碳   空氣/溶劑烘箱
BGX(真空包裝) 12x40 惰性氛圍煅燒/窯
BGX(N 2包裝) 12x40 惰性氛圍煅燒/窯
RB 12x40
RB(真空包裝) 12x40 惰性氛圍煅燒/窯
RB(N 2包裝) 12x40 惰性氛圍煅燒/窯
特定乾燥程序如下:
無:將過濾介質從供應的容器中取出並進行測試。
真空:將大約100克的過濾介質材料添加至4盎司玻璃瓶中。接著,用三個KIMWIPES® (用於精細任務之纖維素擦拭布)覆蓋瓶開口,用兩個橡膠黏合劑固定位。將經覆蓋的瓶放在真空烘箱中。施加真空,且將樣本加熱至180 ℃。乾燥係進行24小時或直至真空烘箱中之壓力小於100 mTorr(13.33 Pa)為止,指示乾燥完成。使烘箱在真空下冷卻至室溫。當在室溫下時,用乾氮氣將腔室排空至大氣壓力,移除KIMWIPES®,將瓶加蓋,且用乙烯基膠帶包裹蓋子。接著將樣本置於乾燥的N 2盒中儲存。
N 2/ 爐:將大約50克的過濾介質材料添加至4盎司玻璃瓶中。將無蓋的填充瓶置於馬弗爐(muffle furnace)中且關上門。將氮氣流量設定為90 SCFH且沖洗爐子10分鐘。隨後將氮氣流量降低至20 SCFH,且將爐加熱至180 ℃。在180 ℃下進行乾燥16小時。將瓶從在180 ℃下的烘箱中取出,蓋上蓋子,然後使其回到室溫。接著將樣本置於乾燥的N 2盒中儲存。
空氣 / 溶劑烘箱:在通風的溶劑烘箱中風乾。將大約50克的過濾介質材料添加至4盎司玻璃瓶中。將無蓋的瓶置於通風的溶劑烘箱中,且將烘箱加熱至180 ℃。進行乾燥16小時。將瓶從在180 ℃下的烘箱中取出,蓋上蓋子,然後使其回到室溫。接著將樣本置於乾燥的N 2盒中儲存。
惰性氛圍煅燒 / 窯:在惰性氛圍中窯煅燒。將大約0.5 kg的活性碳添加至旋轉窯。在950 ℃下在惰性氮氛圍下處理活性碳20分鐘。隨後將經煅燒的活性碳卸出至含氮盒中,且惰性地冷卻至約100 ℃。隨後將活性碳惰性包裝在經氮氣沖洗的容器中或真空包裝以最小化暴露至空氣。
實例 2 – 水分含量
針對使用作為吸著劑之相容性篩選源自各種來源且具有各種水分含量的各種活性碳,如表4所述。 4
樣本編號 經煅燒? 包裝 表觀密度 (g/cm 3) 水分 (%)
1 BGX 惰性真空 0.298 0.65
2 BGX 氮氣包裝 0.306 1.3
3 RB 惰性真空 0.370 0.85
4 RB 氮氣(無包裝) 0.368 1.0
5 RB 空氣(容器上有蓋子) 0.372 2.5
實例 3
使用旋轉窯進行較大的煅燒實驗,其中將基於煤的「RB」活性碳在約980 ℃的溫度下在氮氣流動下煅燒最多30分鐘。一經煅燒,即使碳在氮氣覆蓋之下冷卻,然後惰性包裝。下表5比較經煅燒的RB相對在實驗室中乾燥(通常在150 ℃下3小時)或保持未經處理之其原料(以F/S指示)的一些特徵。經煅燒RB指示為「經煅燒RB」,經乾燥RB原料指示為「F/S RB乾燥」,及未經處理的原料RB指示為「F/S RB」。
在表5中,碳之煅燒達成0.2 wt.%之低水分,其為藉由單獨乾燥無法達成之水準。當觀察整體氧含量時,也可以看到煅燒過程的優勢,其對經煅燒RB為1.6%。相較於F/S RB,此係約2倍的減少,及相較於F/S RB乾燥係1.5倍的減少。此外,一旦注意到經煅燒RB相對於其他RB樣本其接觸pH增加至10.4,其指示由煅燒過程通過移除表面氧基團或存在於碳中之其他酸性部分所引起的碳鹼度增加。雖然不希望受理論所束縛,但咸信,低水分、氧含量和表面酸度係活化碳對於浸漬冷卻應用的關鍵特徵,表5顯示高溫煅燒過程產生具有此等固有特質的活性碳產品,而不顯著改變原料碳的輸送結構,如由碘值和糖蜜值的相對小變化所指示。 5
樣本名稱 密度 (g/cm 3) 灰分含量 ( wt.%) 碘值 (mg/g) 糖蜜值 水分含量 ( wt.%) 接觸 pH 整體氧含量 wt.%
經煅燒RB 0.402 11.6 1278 523 0.2 10.4 1.6
F/S RB 乾燥 0.393 11.7 1311 538 0.7 9.9 2.5
F/S RB 0.404 12.1 1301 584 2.0 9.6 2.8
在實驗室中進行粒狀、基於木材之活性碳的煅燒,其中原料F/S BGX係在氮氣流動下,在約950 ℃之溫度下煅燒30分鐘。一經煅燒,即使活性碳在氮氣毯覆下冷卻至環境溫度。然後將其儲存在惰性環境中。此F/S BGX的經煅燒形式稱為經煅燒BGX。亦收集F/S BGX之風乾形式之資料,且適當時指示為F/S BGX乾燥。此形式的活性碳係藉由在150 ℃下在空氣中乾燥F/S BGX 3小時來製造。此等基於木材之材料的物理和化學特性描述於表6中。 6
樣本名稱 密度 (g/cm 3) 灰分含量 ( wt.%) 碘值 (mg/g) 糖蜜值 水分含量 ( wt.%) 接觸 pH 整體氧含量 wt.%
經煅燒BGX 0.306 3.0 1011 1519 0.09 7.3 5.5
F/S BGX 乾燥 0.239 2.6 1024 2552 0.41 4.0 10.8
F/S BGX 0.259 2.4 987 2502 7.12 -- 12.5
在表6中,經煅燒BGX樣本達成低於0.1 wt%之極低的水分含量。經由煅燒實現更多優勢,因為經煅燒BGX樣本的整體氧濃度比F/S BGX乾燥樣本低約50%,且比F/S BGX樣本低約65%。此外,經煅燒BGX的接觸pH接近中性,其值為7.3,相對於F/S BGX 乾燥樣本所測得之4.0的酸性pH值。經煅燒BGX樣本之增加的接觸pH指示其表面酸度由於存在較少表面氧基團及可能的其他酸性部分而顯著降低。表6中之資料亦顯示,由於經煅燒BGX材料具有大於1500之糖蜜值,因此煅燒過程維持高度的F/S BGX之固有孔隙結構。此大的糖蜜值指示充分發展的輸送孔隙結構。此外,經煅燒BGX樣本亦具有超過1000之碘值,此係具有顯著整體表面活性之活性碳的特徵。經煅燒BGX所呈現的孔隙結構及表面活性,結合其之極低水分、較低氧含量及降低表面酸度,據信係將基於木材之活性碳使用於浸漬冷卻應用時的關鍵優勢。
針對表5所列之樣本,進行TGA分析。表7描述在TGA中之處理之後,經煅燒RB、F/S RB乾燥、及F/S RB的質量損失資料。在表7中,經煅燒RB樣本之總質量損失僅為1.50 wt.%,相對於F/S RB乾燥及F/S RB樣本之值分別為1.91及2.38 wt.%。由於經煅燒RB樣本在TGA中處理之後呈現最小的總質量百分比變化,因而此顯示,煅燒已生成更惰性的活性碳,其中在TGA實驗期間可從活性碳放出較少水分和較少表面官能基。相反地,F/S RB乾燥和F/S RB材料比經煅燒RB包含更多的固有水分和表面官能基,因此在其各自的TGA實驗期間損失更多質量。 7
經煅燒及未經煅燒RB 樣本的TGA 質量損失(wt.%)
樣本 25-200 ℃ 200- 600 ℃ 600-900 ℃ 總計
經煅燒RB 0.67 0.23 0.60 1.50
F/S RB 乾燥 0.68 0.37 0.86 1.91
F/S RB 0.99 0.37 1.02 2.38
表8描述在TGA中處理之後,經煅燒BGX、F/S BGX乾燥和F/S BGX的質量損失(wt.%)。經煅燒BGX樣本的總質量損失僅為9.35 wt.%,相對於F/S BGX乾燥和F/S BGX樣本分別為12.60和35.50 wt.%之值。煅燒過程比單獨的乾燥產生更純淨的活性碳表面,且因此,在TGA中處理之後,經煅燒RB展現較少的總質量損失,因為其固有地具有較低含量之在分析期間可能放出的水分和表面部分,。對於此基於木材之活性碳,似乎煅燒對於去除夾帶水分(25-200 ℃範圍)和在200-600 ℃範圍內之表面氧化物或其他表面官能基尤其有效。雖然F/S GBX 乾燥與經煅燒BGX之間在600-900 ℃範圍內的質量損失差異較不明顯,但由經煅燒BGX所呈現的較小質量損失仍顯示在高溫下煅燒以移除額外表面氧或其他官能基的重要性。因此,活性碳原料F/S BGX的煅燒產生具有特別適合於浸漬冷卻應用之改良的基於木材之產品,經煅燒BGX。 8
經煅燒和未經煅燒BGX 樣本的TGA 質量損失(wt.%)
樣本 25-200 ℃ 200-600 ℃ 600-900 ℃ 總計
經煅燒BGX 1.37 0.69 7.29 9.35
F/S BGX 乾燥 1.16 3.63 7.81 12.60
F/S BGX 6.47 6.38 22.66 35.50
表9描述如TM-62中所述之經煅燒RB、F/S RB乾燥或F/S RB之接觸pH及中和其碳懸浮液所需的0.1 N鹽酸(HCl)之量。在此,當滴定經煅燒RB懸浮液與F/S RB乾燥相比時,要耗費多將近 10 mL的0.1 N HCl來達到pH 7的終點,此指示更鹼性的活性碳。滴定資料與經煅燒RB的較高接觸pH共同增強其增加的鹼性性質,此乃因從碳表面除去由煅燒過程所產生的酸性部分。 9
樣本 初始 pH ( 接觸 pH) 最終滴定 pH 0.1 N HCl 滴定量 (mL)
經煅燒RB 9.8 7.0 50.7
F/S RB 乾燥 9.0 7.0 41.0
表10描述如TM-62中所述之經煅燒BGX和F/S BGX乾燥的pH及中和其碳懸浮液所需的0.1 N NaOH的量。在表9中,經煅燒BGX之接觸pH為6.7且僅需0.9 mL的0.1 N NaOH來達到pH 7終點,而F/S BGX乾燥樣本具有4.0之顯著更為酸性的接觸pH且需要48.5 mL鹼來達到其滴定終點。此顯示,即使活性碳原料因其製造方法而原本為酸性(如BGX之情況),煅燒過程仍產生具有降低酸度的活性碳產品。 10
樣本 初始 pH ( 接觸 pH) 最終滴定 pH 0.1 N NaOH 滴定體積 (mL)
經煅燒BGX 6.7 7.0 0.9
F/S BGX 乾燥 4.0 7.0 48.5
表11描述自F/S RB乾燥及經煅燒RB之水性懸浮液獲得的濾液之滴定。在此,使用0.004 N HCl酸對40 mL濾液進行滴定。經煅燒RB濾液的初始pH為10.5且需要12.5 mL的酸來達到7的pH終點值,相較於在滴定F/S RB乾燥濾液時只需要2.8 mL,因其濾液具有9.8之較低的初始鹼度值。此滴定資料及兩種材料的初始濾液pH差反映經煅燒活性碳相對於經乾燥活性碳之增加的鹼性性質。 11
樣本 經分析的濾液體積 (mL) 搖動24 小時後的濾液pH 滴定後的濾液 pH 滴定液體 0.004 N HCl (mL)
經煅燒RB 40 10.5 7.0 12.5
F/S RB 乾燥 40 9.8 7.0 2.8
表12描述自F/S BGX乾燥及經煅燒BGX之水性懸浮液獲得的濾液之滴定。從經煅燒BGX懸浮液獲得之濾液的初始pH係在7.8的輕微鹼性且需要16.8 mL之0.004 N HCl來達到7的終點pH。相反地,從F/S BGX乾燥懸浮液獲得之濾液的初始pH係在4.7之值下的顯著更為酸性。此濾液需要68 mL的0.004 N NaOH來達到滴定終點 pH。表11中的資料顯示,即使對原本為酸性(由於其製造方法)之活性碳(如BGX)而言,煅燒亦導致活性碳表面顯著轉變至對此應用有益的中性或鹼性狀態。 12
樣本 經分析的濾液體積 (mL) 搖動24 小時後的濾液pH 滴定後的濾液 pH 滴定液體積 0.004 N HCl 0.004 N NaOH (mL)
經煅燒BGX 34 7.8 7.0 16.8 mL 之 0.004 N HCl
F/S BGX 乾燥 34 4.7 7.0 67.0 mL 的 0.004 NaOH
熱處理(諸如煅燒)影響活性碳的表面官能度,從而影響其pH PZC。對於RB及BGX活性碳,於煅燒後測得較大的pH PZC值,指示活性碳表面的鹼性(鹼)特性增加。煅燒過程移除酸性含氧表面基團。
圖5顯示針對F/S RB乾燥或經煅燒 RB-硝酸鈉懸浮液於5 wt.%、10 wt.%、15 wt.%、及20 wt.%之常用活性碳濃度下的平均pH測量值。當F/S RB乾燥活性碳的重量百分比增加至15和20 wt.%時,觀察到約11.5的漸近pH PZC值。或者,當經煅燒RB之量增加至20 wt.%時,平均懸浮液pH值仍然增加。這表示經煅燒RB的pH PZC至少為 11.8,但可能更高。圖5中的資料顯示F/S RB活性碳的煅燒賦予提高的表面鹼度,從而提高其在浸漬冷卻應用中的官能度。
圖6展示針對F/S BGX乾燥或經煅燒BGX-硝酸鈉懸浮液在5 wt.%、10 wt.%、15 wt.%及20 wt.%之常用活性碳濃度下之平均pH測量值。當F/S BGX乾燥活性碳的重量百分比增加到20 wt.%時,觀察到約4.5之漸近的酸性pH PZC值。或者,當經煅燒BGX之量達到20 wt.%時,平均記錄pH降低,但穩定地朝向約6.5的接近中性pH PZC值。圖6中的資料顯示,F/S BGX活性碳的煅燒顯著降低其表面酸度,從而改良其在浸漬冷卻應用中的官能度。
在上文詳細描述中,參考構成本文之一部分的隨附圖式。在圖式中,除非上下文另有規定,否則類似符號通常指示類似的組件。於詳細描述、圖式、及申請專利範圍中所述之例示性具體例並非意欲為限制性。可使用其他具體例,且可在不脫離本文中呈現之標的之精神或範圍的情況下進行其他變更。應易於理解,如本文一般描述且繪示於圖中之本揭示的態樣可經配置、取代、組合、分離及設計成各種不同的組態,其皆明確涵蓋於本文中。
本揭示不欲就本申請案中描述的特定具體例受限制,該等具體例意欲作為各種態樣之說明。如本領域技術人員所當顯而易見,可不偏離其精神及範圍而進行許多修改及變化。熟悉技術人士從前述描述將顯而易見除本文所列舉者外,於本揭示之範疇中的功能等效方法及設備。此類修改及變化意欲屬於隨附申請專利範圍之範疇。本揭示僅受隨附申請專利範圍之條款以及該等申請專利範圍所授權之等效物之完整範圍限制。應瞭解,本揭示不受限於特定方法、試劑、化合物、組成物或系統,其當然可改變。亦應理解,本文所用之術語僅用於描述特定具體例之目的,且不意欲為限制性。
關於本文中實質上任何複數及/或單數術語之使用,熟悉本技藝者可如適合於上下文及/或應用,而自複數轉譯為單數及/或自單數轉譯為複數。為清楚起見,本文中可明確闡述各種單數/複數排列。
100:系統 102:槽 104:冷卻劑 106:電子組件 108:表面 110:外殼 112:泵 114:入口 116:出口 200:兩相冷卻系統 202:槽 204:冷卻劑 208:冷卻劑表面 218:蒸氣區 220:冷凝器 222:乾燥劑 224:頂部空間 226:汽化冷卻劑
本文所述之具體例的態樣、特徵、益處及優點將參照以下描述、隨附申請專利範圍及隨附圖式而顯而易見,其中:
1描繪其中可使用如本文所揭示之吸著劑之浸漬冷卻系統的示意圖。
2描繪其中可使用如本文所揭示之吸著劑之兩相浸漬冷卻系統的示意圖。
3繪製吸著劑材料的去色曲線,其測量所達成去色之相對量相對於吸著劑材料的測得糖蜜值。
4描繪光譜掃描之實例,其描繪糖蜜過濾器之透射率成光波長之函數。
5描繪針對F/S RB經乾燥或經煅燒RB-硝酸鈉懸浮液在5 wt.%、10 wt.%、15 wt.%、及20 wt.%之常用活性碳濃度下的平均pH測量值。
6描繪針對F/S BGX經乾燥或經煅燒BGX-硝酸鈉懸浮液在5 wt.%、10 wt.%、15 wt.%、及20 wt.%之常用活性碳濃度下的平均pH測量值。

Claims (38)

  1. 一種純化含有一或多種傳導性污染物之冷卻劑之方法,該方法包括: 使該冷卻劑與吸著劑接觸,藉此使該吸著劑吸附該一或多種傳導性污染物,其中該吸著劑包括具有約1 wt.%至約5 wt.%之整體氧含量、至多約1.5 wt.%之水分含量、及至少約150之糖蜜值的吸著劑材料, 其中該吸著劑材料包括活性碳。
  2. 如請求項1之方法,其中,該活性碳係由煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核(dende nut)、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、及其他含碳材料中之一或多者形成。
  3. 如請求項1之方法,其中,該吸著劑材料係藉由在惰性氛圍下在至少約500 ℃之溫度下煅燒含碳材料而形成。
  4. 如請求項1之方法,其中,該吸著劑材料具有至少約850 mg/g之重量分析碘值。
  5. 如請求項4之方法,其中,該吸著劑材料具有至少約1100 mg/g之重量分析碘值。
  6. 如請求項1之方法,其中,該吸著劑已經處理,以防止再引入氧氣。
  7. 如請求項6之方法,其中,處理該吸著劑以防止再引入氧氣包括下列中之一或多者:利用惰性氛圍沖洗該吸著劑材料,將該吸著劑放置於具有去氧化合物的外殼內,及從含有該吸著劑的外殼中機械去除氧氣。
  8. 如請求項1之方法,其中,該冷卻劑包含油、烴、酮、醚、或其氟化衍生物中之一或多者。
  9. 如請求項1之方法,其中,該冷卻劑具有約34 ℃至約175 ℃之沸點及在1 kHz下小於約10之介電常數。
  10. 如請求項1之方法,其中,該冷卻劑具有不超過約0.8 cSt之動黏度。
  11. 如請求項1之方法,其進一步包括使電子組件與該冷卻劑接觸且使傳導性污染物自該電子組件擴散至該冷卻劑。
  12. 如請求項1之方法,其進一步包括經由粒徑排阻過濾器過濾該冷卻劑。
  13. 一種用於純化含有一或多種傳導性污染物之冷卻劑之系統,該系統包括: 一外殼,其含有吸著劑,該吸著劑包括具有約1 wt.%至約5 wt.%之整體氧含量、至多約1.5 wt.%之水分含量、及至少約150之糖蜜值的吸著劑材料, 至少一入口、或至少一出口、或至少一入口及至少一出口,其與該吸著劑及容納該冷卻劑之槽連通,使得該冷卻劑之至少一部分接觸該吸著劑。
  14. 如請求項13之系統,其中,該吸著劑包括吸著劑材料,其為活性碳。
  15. 如請求項14之系統,其中該活性碳係由下列中之一或多者形成:煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、及其他含碳材料。
  16. 如請求項13之系統,其中,該吸著劑材料係藉由在惰性氛圍下在至少約500 ℃之溫度下煅燒含碳材料而形成。
  17. 如請求項13之系統,其中,該吸著劑材料具有至少約850 mg/g之重量分析碘值。
  18. 如請求項17之系統,其中,該吸著劑材料具有至少約1100 mg/g之重量分析碘值。
  19. 如請求項13之系統,其中,該吸著劑已利用氮氣沖洗,以防止再引入氧氣。
  20. 如請求項13之系統,其中,該吸著劑係惰性包裝或真空包裝於該外殼中。
  21. 如請求項13之系統,其進一步包含一泵,該泵將該冷卻劑輸送通過該吸著劑。
  22. 如請求項13之系統,其中,該冷卻劑包括油、烴、酮、醚、或其任何氟化衍生物中之一或多者。
  23. 如請求項13之系統,其中,該冷卻劑具有約34 ℃至約175 ℃之沸點、約-38 ℃至約-138 ℃之冷凍點及在1 kHz下小於約10之介電常數。
  24. 如請求項13之系統,其中,該冷卻劑具有不超過約0.8 cSt之動黏度。
  25. 如請求項13之系統,其進一步包括一電子組件,該電子組件含有一或多種傳導性污染物。
  26. 如請求項25之系統,其中,該電子組件係裝納在資料中心中。
  27. 如請求項13之系統,其進一步包含一粒徑排阻過濾器,該粒徑排阻過濾器係連接於包括該吸著劑之該外殼的下游。
  28. 一種用於純化含有一或多種傳導性污染物之冷卻劑的組成物,該組成物包括: 吸著劑,其包含具有約1 wt.%至約5 wt.%之整體氧含量、至多約1.5 wt.%之水分含量、及至少約150之糖蜜值的吸著劑材料,其中該吸著劑材料包括活性碳。
  29. 如請求項28之組成物,其中,該活性碳係由煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、及其他含碳材料中之一或多者形成。
  30. 如請求項28之組成物,其中,該吸著劑材料具有約6.5至約12之接觸pH。
  31. 如請求項28之組成物,其中,該吸著劑材料具有至少約850 mg/g之重量分析碘值。
  32. 如請求項31之組成物,其中,該吸著劑材料具有至少約1100 mg/g之重量分析碘值。
  33. 如請求項28之組成物,其中,該吸著劑已經處理,以防止再引入氧氣。
  34. 一種製造用於純化含有一或多種傳導性污染物之冷卻劑之吸著劑之方法,該吸著劑含有吸著劑材料,該方法包括: 煅燒前驅物吸著劑材料,藉此形成具有約1 wt.%至約5 wt.%之整體氧含量、至多約1.5 wt.%之水分含量、及至少約150之糖蜜值的吸著劑材料, 其中該吸著劑材料包括活性碳。
  35. 如請求項34之方法,其中,該活性碳係由煙煤、次煙煤、褐煤、無煙煤、木材、泥煤、堅果殼、果核、椰子、巴巴蘇棕櫚果、澳洲胡桃、棕櫚果核、桃子核、櫻桃核、橄欖核、胡桃殼、木材、蔗渣、稻殼、玉米殼、小麥殼、聚合物、樹脂、石油瀝青、及其他含碳材料中之一或多者形成。
  36. 如請求項34之方法,其中,在至少約500 ℃之溫度下進行煅燒。
  37. 如請求項34之方法,其進一步包括處理該吸著劑材料,以防止再引入氧氣及水分。
  38. 如請求項37之方法,其中,處理該吸著劑以防止再引入氧氣包括下列中之一或多者:利用惰性氛圍沖洗該吸著劑材料,將該吸著劑放置於具有去氧化合物的外殼內,及從含有該吸著劑的外殼中機械去除氧氣。
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