天然气和氢气吸附储存吸附热研究现状

吸附热效应是天然气—氢气吸附储存投入工程应用的又一大障碍，吸脱附过程当中的放热、吸热现象极大地降低了吸附系统的动态储存量。在常温快速充气时，床层有较大的温升；在常温快速脱附时，床层中心的温度大幅度下降，极大的增加了甲烷残存量。该文综述了前人针对吸附热问题在实验上的研究，总结了前人提出的各种吸附热问题的解决方案，并对新的研究方向进行了探索。     

氢在成型前后活性炭上的吸附等温线分析

首先,在温度区间113～293K、压力范围0～12.5MPa,测试氧在成型前后活性炭上的吸附等温线.其次,根据不同温度区域的等量吸附线标绘和Henry定律常数计算等量吸附热和极限吸附热,并通过Ono-Kondo方程对吸附数据进行模型分析.结果表明:等量吸附热的数值与温度有关,成型措施对吸附量的影响较大、对等量吸附热的影响较小,等量吸附热在试验温度范围内的平均值为6.8kJ·mol-1;标定参数后的Ono-Kondo方程预测精度较高.降低储存系统温度可有效缓解动态储氢过程的热效应.     

潜艇燃料电池AIP氢燃料活性炭低温吸附储存

设计利用潜艇液氧冷量的燃料电池(FC)-AIP活性炭低温吸附储氢系统,在模拟潜艇航行中晃动和振动的平台上,测试氢在活性炭上的吸附等温线和储氢系统在为质子交换膜燃料电池(PEMFC)供气时的特性。结果表明,吸附等温线受平台晃振的影响小;温度为113K、压力为6MPa时,比表面积为1450m2.g-1的SAC-02活性炭储氢系统的质量储氢密度可超过当前艇用储氢合金的质量储氢密度;在2kW PEMFC电堆典型工况所需的氢气量(质量流率21.44L.min-1)下,通过充气过程的液氧预冷和放气过程的循环介质加热,可使储罐中心和壁面在整个过程中的最大温差小于5℃。活性炭低温吸附储氢系统的质量密度和储放氢特性能满足艇用FC-AIP系统的要求。     

活性炭-R134a吸附性能的研究

吸附式制冷可用于汽车空调,由发动机的余热驱动,不消耗发动机的输出功。汽车空调对密封性和安全性要求较高,活性炭-R134a较符合该要求,搭建了测量活性炭-R134a吸附性能试验台,对该工质对在不同条件下的平均吸附量进行了测试,并得到了适用于该工质对的吸附率方程。     

NO2在活性炭上的动态吸附研究

采用固定床吸附及程序升温脱附（TPD）方法考察了NO2在活性炭上的吸附形态以及温度、O2、H2O等因素对活性炭吸附性能的影响。研究结果表明,活性炭在低温奈件下可有效吸附NO2,其饱和吸附形态主要为-C（ONO2）基团。-C（ONO2）基团受热可分解为NO与NO2,残留在发表面的舍氧官能团在高温条件下可分解脱附为CO与CO2。随着吸附温度的升高,活性炭的吸附性能逐渐丧失。在低温条件下,O2对活性炭吸附性能无明显影响,而HO2的加入能有效提高其吸附量。     

天然气吸附储存过程的数值模拟研究

针对天然气吸附储存罐,建立了快速绝热充气过程的二维传热传质模型,并进行了数值模拟计算.给出了充气过程中储罐内吸附床层的温度和吸附量的分布特征:随着吸附进行,储罐沿轴向从入口温度逐渐升高,储罐后部温度升幅最大,导致吸附床层后部的吸附量较低;与等温吸附相比,快速绝热充气的吸附效率只有65%.因此,要提高吸附量,就必须强化储罐内部吸附床层的热量传递过程,如加入热交换管、导热肋片等,以降低储罐吸附床层的温度.     

金属氧化物对SO_2在活性炭表面吸附影响的实验研究

采用热重方法研究了150℃下金属氧化物对SO2在活性炭表面吸附的影响;对以椰壳为原料的活性炭进行了金属氧化物负载,并采用氮吸附与X射线光电子能谱(XPS)方法对负载后活性炭物理化学结构的变化进行了表征.结果表明:吸附过程存在一定的迟滞,这是由SO2从气相向孔隙扩散引起的;活性炭负载金属氧化物后,用于SO2吸附的活性位分布与平衡吸附量均发生了显著变化;负载Ce和Zr的活性炭活性位分布较均匀,有助于SO2吸附量的增加;而负载Fe、Co和Ni的活性炭活性位大部分位于外表面,导致内部孔隙利用率较低,因而抑制了SO2的吸附.     

金属氧化物对SO2在活性炭表面吸附影响的实验研究

采用热重方法研究了150℃下金属氧化物对SO2在活性炭表面吸附的影响;对以椰壳为原料的活性炭进行了金属氧化物负载,并采用氮吸附与X射线光电子能谱(XPS)方法对负载后活性炭物理化学结构的变化进行了表征.结果表明:吸附过程存在一定的迟滞,这是由SO2从气相向孔隙扩散引起的;活性炭负载金属氧化物后,用于SO2吸附的活性位分布与平衡吸附量均发生了显著变化;负载Ce和Zr的活性炭活性位分布较均匀,有助于SO2吸附量的增加;而负载Fe、Co和Ni的活性炭活性位大部分位于外表面,导致内部孔隙利用率较低,因而抑制了SO2的吸附.     

N2气氛下活性炭的汞吸附性能

为研究活性炭吸收烟气中单质汞的吸附机理和提高其吸附能力的方法,对3种原始活性炭和载硫改性后的活性炭在氮气气氛下进行了汞吸附性能试验.结果表明:经水蒸气活化法制备的椰壳活性炭和杏壳活性炭对单质汞的吸收主要为物理吸附,吸附效果较差;而经氯化锌化学法制备的木质活性炭由于表面残存Cl元素,对单质汞的吸收表现出化学吸附的特性,吸附性能较好;经200℃和600℃渗硫改性后的活性炭,其汞脱除效率均得到提高,且渗硫的温度越高,其吸附能力越好.     

活性炭纤维吸附低体积分数苯的实验研究

研究了黏胶基活性炭纤维(activated carbon fiber, ACF)对非极性苯蒸汽的吸附.活性炭纤维比颗粒活性炭具有更高的吸附能力和更快的吸附动力且能有效去除挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs),活性炭纤维吸附剂其比表面积与孔结构通过氮吸附来表征.活性炭纤维样品上的苯吸附与脱附则通过热重方法测量,用DR方程对实验得到的吸附等温线进行拟合.实验结果表明,吸附量随活性炭纤维比表面积的增加而增加,而脱附过程则需100 min左右.     

多壁碳纳米管吸附储氢性能的研究

采用容量法研究温度在273～300K范围内,压力升高到10MPa时多壁碳纳米管的吸附储氢性能.采用SEM、 TEM和低温N2吸附对碳纳米管的微观结构进行表征.结果发现,在相同压力下吸附量随温度的增加而降低,表明碳纳米管的吸附主要是物理吸附.采用Clausius-Clapeyron方程解析了氢气在碳纳米管上的等量吸附热,平均值为9.1kJ/mol.     

活性炭在低温下的平衡储氢特性分析

基于格子理论建立通用吸附等温方程,从吸附氢分子间作用能随表面遮盖率、温度的变化中比较活性炭在低温区域储氢行为的异同.应用文献中的拟合公式计算氢在活性炭上的吸附数据,通过通用吸附等温方程的线性化确定氢在活性炭上与最大吸附容量对应的最大表面密度.引入维里吸附方程,结合第二维里吸附系数和亨利定律计算吸附层内氢分子受到的壁面吸附势,并由平衡态的能量分析确定氢分子间作用能.结果表明,氢分子在活性炭吸附表面的最大密度小于液氢表面密度且随温度升高而减小,氢分子间作用能在较大比表面积和微孔容积的活性炭中随表面遮盖率和温度的变化更为剧烈,须根据氢分子特性设计活性炭以提高其储氢性能.     

碳纳米纤维吸附储氢性能评价

利用N2(T=77K)、H2(T=298K)在三种碳纳米纤维材料中的吸附等温线，对这三种材料的吸附储氢性能进行了评价。以N2在77K下的吸附等温线为基础，分别用BET方法和BJH方法计算了这三种材料的比表面积和孔径分布，讨论了比表面积、孔径分布和吸附性能之间的关系。计算和实验结果表明：这三种材料均只含有少量的微孔，吸附性能较差。在三种后处理方法中，以水蒸气氧化法的效果最好，所得材料比表面积最大，微孔容积所占比例也最大，相应的吸附性能也最好。     

碳质吸附剂吸附储氢的研究现状

论述了活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管吸附储氢的研究历程，从实验、理论研究两个方面总结了前人的研究成果：活性炭在低温下有好的吸附储氢特性，但在室温条件下的结果却不令人满意；碳纳米管和碳纳米纤维的实验结果令人振奋，但众多的实验结果并不一致；碳纳米材料的制备技术和净化技术还仅处在实验规模的阶段；蒙特卡罗、密度泛函等方法是常用的计算机模拟技术，但目前它们只是考虑了理想的物理模型，没有考虑碳纳米管表面的一些不规则现象；碳质吸附剂吸附储氢从理论到应用还有一段距离。     

修正切线法在碳纳米管储氢测量中的应用

切线法是以高压天平测量测量样品储氢量的一种方法，本文对该方法进行了改良，并用修正切线法对定向碳纳米管的储氢量进行了计算，并与切线法以及氦气基准法进行了数据对比。     

碳纳米管的球磨处理及其对储氢性能的影响

采用电子显微镜分析技术研究了碳纳米管经过不同时间和不同方式机械球磨处理后其微观组织和结构的变化，并探讨了球磨对碳纳米管储氢性能的影响。研究结果表明，机械球磨可以截断碳管，碳管长度从原来的微米级降到几十到几百纳米；同时碳管端口打开，缺陷增多，表面积增大。在球磨的碳管中加入纳米级MgO，可使球磨效果更显著。球磨2h处理的碳纳米管的储氢量是未球磨碳纳米管储氢量的2倍以上，达到0.44wt％。而加入MgO球磨1h后，其储氢量达到0．81wt％。     

氢在碳纳米材料中吸附的实验研究

按照容积法的原理建立了用于氢气吸附储存研究的吸附等温线测量的实验装置，从实验和理论的角度分析了本实验装置的精度和误差，用实验的方法验证了理想气体状态方程、RK状态方程以及MBWR方程描述实际气体的适用性。本文还测量了经三种不同后处理方式所得到的碳纳米纤维在298K下的吸附等温线，实验结果低于Rzepka的分子模拟计算结果。实验证明，利用MBWR方程描述实际气体和实验结果符合最好，本实验装置适合用于准确确定氢在碳纳米材料中的吸附储存量。