炭膜分离CO2/CH4混合气的分子模拟

针对炭膜分离CO₂/CH₄混合气体的过程,分别采用Materials Studio和Lammps软件进行分子模拟,建立与炭膜孔结构相近的Z字形孔模型,通过实验数据验证了模型的可靠性,通过对CO₂/CH₄纯组分及混合气体在膜孔内的吸附和扩散过程的模拟得到分离系数并探讨气体分离机理。综合吸附与扩散过程的模拟结果表明:适当的低温和较小的孔径有利于实现CO₂/CH₄混合气体的分离;随着温度的升高,CO₂/CH₄的分离系数减小,而且膜孔径对分离系数的排序为0.670nm>1.005nm>1.340nm;在温度为298K、膜孔径为0.670nm的操作条件下CO₂/CH₄的分离系数为20.1,与实验数据较吻合。研究结果可为优化炭膜制备提供指导,并为探讨分离过程机理提供依据。     

具有缺陷孔结构的炭膜分离CO_2/CH_4混合气的分子模拟

基于炭膜无缺陷Z字形孔模型研究结果,建立随机缺陷、均匀缺陷与局部缺陷3种不同缺陷方式的炭膜微孔模型,研究等摩尔CO_2/CH_4混合气在缺陷膜孔中的吸附和扩散过程,探讨缺陷对炭膜气体分离的影响。结果表明,在273~348 K的温度范围内,CO_2与CH_4在缺陷炭膜孔模型内的平衡吸附量与扩散系数均低于无缺陷炭膜孔模型;与无缺陷、均匀缺陷和随机缺陷孔模型相比,局部缺陷孔模型的CO_2/CH_4总分离系数最低;温度低于298 K时,随机缺陷和均匀缺陷孔模型的总分离系数均大于无缺陷孔模型;随机缺陷孔模型的总分离系数大于均匀缺陷孔模型,说明随机删除碳原子的方式比均匀删除和局部删除更加合理。研究结果可为炭膜气体渗透机理的深入研究提供依据。     

5A沸石分子筛低温变压吸附CO2/CH4实验研究

采用静态容积法测量5A沸石分子筛对CO_2和CH_4的单组份等温吸附曲线,采用低温变压测量不同实验参数对5A沸石分子筛分离CH_4/CO_2混合气体的能力影响。静态实验表明,CO_2和CH_4吸附量随温度的降低而上升,-30℃时CO_2和CH_4在吸附剂上的饱和吸附量最高:分别为4.94 mmol/g和3.0 mmol/g;动态试验表明,增加吸附压力会降低分离效果,减小混合气体分离系数;降低吸附温度有利于CH_4/CO_2分离,提高混合气体分离系数。     

具有缺陷孔结构的炭膜分离CO2/CH4混合气的分子模拟

基于炭膜无缺陷Z字形孔模型研究结果,建立随机缺陷、均匀缺陷与局部缺陷3种不同缺陷方式的炭膜微孔模型,研究等摩尔CO₂/CH₄混合气在缺陷膜孔中的吸附和扩散过程,探讨缺陷对炭膜气体分离的影响。结果表明,在273~348 K的温度范围内,CO₂与CH₄在缺陷炭膜孔模型内的平衡吸附量与扩散系数均低于无缺陷炭膜孔模型;与无缺陷、均匀缺陷和随机缺陷孔模型相比,局部缺陷孔模型的CO₂/CH₄总分离系数最低;温度低于298 K时,随机缺陷和均匀缺陷孔模型的总分离系数均大于无缺陷孔模型;随机缺陷孔模型的总分离系数大于均匀缺陷孔模型,说明随机删除碳原子的方式比均匀删除和局部删除更加合理。研究结果可为炭膜气体渗透机理的深入研究提供依据。     

混合气体在非晶态高分子膜内的吸收机理研究

基于作者提出的纯气体吸收机理,并引入吸收竞争因子的概念,导出了混合气体在非晶态高分子膜内的吸收机理模型.针对PMMA—CO_2/CH_4、PMMA—C_2H_4/CH_4以及PS-C_2H_4/CH_4等3种系统,在308K的温度下进行了等温吸收实验.实验结果表明了上述模型能较好地描述混合气体的等温吸收数据.     

甲醇驰放气在不同吸附剂中的吸附热力学

为提高焦炉煤气制甲醇过程产生驰放气的附加值,对CO_2,CO,N_2,CH_4的4种气体在吸附剂上的吸附热力学展开了研究。测定了气体在特定温度下的吸附等温线,采用数学模型计算获得了相应的吸附焓。通过实验数据认为,随着吸附温度的提高,CO_2,CO,N_2,CH_4吸附能力逐渐降低;随着吸附压力的提高,CO_2,CO,N_2,CH_4吸附能力逐渐增强。炭分子筛对CO_2吸附能力最好,吸附过程为物理吸附;铜吸附剂对CO吸附能力最好,吸附过程属于络合吸附;N_2和CH_4的吸附焓随吸附量变化始终保持为一个定值,吸附过程为物理吸附。     

神府丝炭制备分离CH_4/N_2的炭分子筛工艺及其性能研究

以神府煤丝炭(SFF)为原料,采用炭化-KOH活化-苯气相碳沉积方法制备用于变压吸附分离CH_4/N_2所用的成型炭分子筛(FCMS),活化过程的最优条件为:碱炭质量比=3∶1,活化温度为700℃,活化时间为90 min;碳沉积过程最优条件为:碳沉积温度为800℃,碳沉积时间为5 min,苯流率为3 m L/min,在此条件下,FCMS的碘吸附值和比表面积分别为985.23 mg/g和1 195.52 m2/g,微孔孔容占63.18%。利用FCMS进行了CH_4和N_2吸附量测试和Langmuir吸附模型的拟合,得出CH_4为强吸附组分,CH_4/N_2在FCMS上的分离系数为2.50。单塔穿透实验表明,CH_4在FCMS上的穿透时间延迟了171 s,证实了FCMS吸附甲烷的能力增强。     

煤基含硫活性炭的制备及其CO2吸附性能

将无烟煤与褐煤的混合物掺杂KOH一步法共热解,再将产物酸洗制得含硫活性炭。通过分析不同碱炭质量比对活性炭比表面积和微孔孔体积的作用,探究硫含量对活性炭CO_2吸附性能的影响。当混煤掺杂KOH在碱炭质量比为2∶1、活化温度为800℃、活化时间为2 h时,氮气气氛条件下制备煤基活性炭(AC-S1),并对其进行表征和CO_2吸附性能测试。结果表明:AC-S1的BET比表面积达到682.9 m~2/g,以微孔结构为主,孔径主要分布在0.4 nm～1.2 nm,微孔体积为0.24 cm~3/g,硫含量为0.89%(质量分数);红外光谱分析结果表明,煤基活性炭表面存在含硫官能团;扫描电镜结果表明,含硫煤基活性炭表面结构粗糙,存在一定的孔结构;X射线衍射结果表明,煤基活性炭为无定型非晶材料;X射线光电子能谱分析数据得出,煤基活性炭存在碳硫键和噻吩硫;在常压、298 K条件下,AC-S1的CO_2吸附量为3.16 mmol/g,对CO_2/CH_4体系的分离因子达到8.10。     

CO_2、CH_4和N_2在不同硅铝比β沸石上的吸附分离性能

采用体积法在273 K和303 K温度下对CO_2,CH_4和N_2在不同硅/铝比的β沸石上的吸附分离性能进行了研究.实验结果表明,Langmuir-Freundlich模型能够较好地拟合吸附实验数据;同一样品上,CO_2的吸附量要大于CH_4和N_2的吸附量;随着硅铝比的减小CO_2的吸附量增加,而硅/铝比对CH_4和N_2的吸附量的影响较小.通过结合Virial方程计算CO_2、CH_4和N_2在不同硅/铝比β沸石上的亨利定律常数和吸附选择性,发现所研究样品对CO_2/CH_4和CO_2/N_2均具有很高的吸附选择性,随着样品硅/铝比的减小,CO_2/CH_4和CO_2/N_2的吸附选择性显著增加,说明较低硅/铝比β沸石有利于分离CO_2.用Clausius-Ciapeyron方程求得CO_2,CH_4和N_2在不同硅/铝比的β沸石上的吸附热与吸附量无关,表明β沸石是一种表面势场均匀的吸附剂.     

类石墨烯多孔材料的制备及其气体吸附分离特性

以石墨粉(G)为原料,采用改进Hummers法制备氧化石墨(GO),通过热剥离及氢氧化钾(KOH)活化制备出性能优异的类石墨烯多孔材料(GPM)。利用低温氮吸附、高压吸附、X射线衍射分析和拉曼光谱分析等测试手段对材料进行结构性能表征。结果表明,该材料具有类石墨烯结构,比表面积达2 465.76 m~2/g,孔容为1.53 cm~3/g,平均孔径为3.05 nm。在20℃、3 MPa下对CO_2、CH_4和N_2的饱和吸附容量分别达到33.13、11.45 mmol/g和7.80 mmol/g。对于CH_4/N_2、CH_4/CO_2、CO_2/N_2的分离性能有所差异,分离系数依次为2.86、1.93、5.54,显示其在碳捕集及甲烷存储等方面具有良好的应用前景。     

炭膜的二氧化碳吸附扩散性能的研究

以商业化的Kapton型聚酰亚胺为前驱体制备炭膜,采用容量法研究了不同炭化温度制备的炭膜CO2吸附和扩散行为,并利用Sips模型对实验数据进行拟合,DA方程计算炭膜的孔结构参数,Fick扩散模型求取CO2在炭膜内的扩散系数,采用XRD分析探讨了炭膜的炭结构。结果表明,炭膜孔结构随着热解炭化温度的提高,孔径收缩,且当炭化温度从600℃升高到800℃,炭膜的微孔体积随炭化温度的升高而增大,而800℃以后,微孔体积随炭化温度的升高而下降。CO2在不同炭膜中的扩散系数约为1.04×10-13~8.56×10-12m2·s-1,在实验测定的压力范围内扩散系数随着平衡压力的增大呈现出先增大后减小的规律。     

沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中CH_4

利用高硅疏水性沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中的甲烷,对其吸附平衡、吸附动力学以及真空变压吸附分离过程进行了理论和实验研究。通过重量法和穿透曲线法测定了CH_4/N2单组分及双组分的竞争吸附平衡数据,并采用Multisite Langmuir吸附等温线模型对其进行拟合。结合CH_4和N2稀释穿透曲线实验数据和等温无动量损失的双分散二级孔结构扩散模型,获得CH_4和N_2在沸石ZSM-5上的微孔扩散系数。建立并求解包含质量、动量及能量传递的固定床吸附分离模型方程,预测了CH_4和N2在沸石ZSM-5上的竞争吸附穿透曲线。进一步采用ZSM-5吸附剂填充床单柱四步真空变压吸附实验考察了进料浓度、进料流速、进料时间以及吹扫比对分离效果的影响。结果发现沸石ZSM-5对CH_4具有较好的选择性,沸石晶粒内的微孔扩散为吸附速率控制步骤,真空变压吸附工艺可将模拟煤层气中20%的CH_4提纯至31%~41%,回收率为93%~98%。     

甲烷与二氧化碳混合气分离试验研究

为了验证自制碳分子筛吸附剂对CH_4/CO_2混合气体的分离效果,使用自制碳分子筛吸附剂,通过变压吸附工艺,对CH_4/CO_2混合气体进行分离试验。研究了吸附压力和吸附时间等工艺参数对沼气分离效果的影响,并通过与市售活性炭和市售碳分子筛吸附剂的对比试验验证自制碳分子筛吸附剂在沼气分离中的优势。结果表明:吸附时间增加,分离效果先提高后下降,最佳吸附时间为180s;吸附压力增大,分离效果先提高后下降,最佳吸附压力为600 k Pa。自制碳分子筛吸附剂具有分离效果好、甲烷回收率高、产品气浓度稳定的优点。     

AC/X-G吸附剂的制备及CH_4/N_2吸附分离性能

采用浓度为0.2 g·ml~(-1)的葡萄糖溶液对13X沸石/活性炭复合材料(AC/X)进行碳沉积,研究沉积次数对复合吸附剂(AC/X-G)孔结构、表面性质和CH_4/N_2吸附分离性能的影响。通过X射线衍射,77 K下的N2吸附/脱附,扫描电镜,CO_2-TPD以及红外光谱表征样品的晶型、孔结构和表面性质,在298 K、100 k Pa下对其CH_4和N_2吸附等温线进行测定,并将吸附结果与文献中碳材料和13X沸石的吸附性能进行比较。结果表明:随着沉积次数的增加,AC/X-G吸附剂中X型沸石的相对含量降低,微孔比表面积和微孔体积减少。AC/X-G的表面被碳膜覆盖,碱量降低,但出现强碱位和含氧基团C—O键。AC/X-G的CH_4和N_2吸附量下降,但吸附分离系数提高,沉积3次的样品AC/X-G-3的CH_4/N_2吸附分离系数达到3.0,表面的含氧基团有利于提高复合材料的CH_4/N_2吸附分离性能。     

高温超临界混合气驱提高煤层气采收率机理研究

针对国内煤层气井产量低、采收率低的问题,文章提出了一种提高煤层气采收率的新工艺—高温超临界混合气体注入煤层提高煤层气采收率。通过实验与理论分析的方法,对高温超临界CO_2、N_2混合气体注入煤层提高采收率的机理进行了研究,发现机理主要为:(1)升温、CO_2与CH_4竞争吸附、N_2降低CH_4分压等作用使CH_4在煤岩中的吸附能力降低,导致解吸气量增加;(2)升温后煤岩脱水、热应力作用以及气体解吸后基质收缩等作用使渗透率增加。     

淀粉基多孔碳材料的制备及其吸附CO_2/CH_4性能

以淀粉为原料,使用水热法将其碳化后用活化剂KOH对其活化,制备了淀粉基多孔碳材料,并对其进行结构表征和CO_2/CH_4的吸附性能测试,计算吸附热以及材料对CO_2/CH_4的吸附选择性,讨论了碳材料结构对其吸附性能的影响。结果表明:在制备过程中,随着活化剂KOH用量比例的增大,所制得的材料其比表面积和孔容增大,其孔径分布也就越宽。所制得的碳材料其比表面积可达2972 m2·g-1。这些淀粉基多孔碳材料对水蒸气的吸附等温线呈现出Ⅳ类等温线。所制备材料对CO_2吸附容量主要取决于其孔径小于0.8 nm的累积孔容(Vd0.8 nm)。材料的超微孔的孔容越大,其对CO_2吸附容量也越大。所制备的C-KOH-1材料在101325 Pa和298 K条件下,对CO_2的吸附量达到4.2 mmol·g-1,其对CO_2的吸附热明显高于其对CH_4吸附热,其对CO_2/CH_4吸附选择性为3.7~4.26,同时本文通过对材料的水蒸气吸附等温线进行测试,结果表明所得材料主要表现为中等憎水性,这对材料在实际工况的应用奠定了基础。     

用高压气体吸脱附-微量热联用法对CO2和CH4在煤上吸附热力学的研究

为了从热力学角度揭示CO_2和CH_4在煤上的竞争吸附实质,为驱替理论提供热力学参考,利用高压气体吸脱附-微量热联用仪,通过容量法测定30℃,40℃,50℃温度下CO_2和CH_4在煤上的吸附等温线,同时计算等量吸附热和极限吸附热,并测定了CO_2和CH_4在煤上的吸附热。结果表明:CO_2和CH_4吸附等温线均属于Ⅰ型吸附等温线,且均符合Langmuir吸附模型;温度升高,CO_2和CH_4在煤上的吸附量均减小;相同条件下,CO_2在煤上的吸附量明显高于CH_4的吸附量,表明CO_2更容易吸附于煤上。CO_2和CH_4在煤上的等量吸附反映出煤吸附CO_2和CH_4的过程均为物理吸附。同时CO_2在煤上的等量吸附热高于CH_4的等量吸附热,说明CO_2分子与煤分子之间作用力强于CH_4与煤分子之间的作用力,极限吸附热和实验测得的吸附热也显示了同样结果,从热力学角度阐释了CO_2和CH_4在煤体表面竞争吸附的实质。     

葡萄糖基多孔碳材料对CO_2/CH_4的分离性能

以淀粉糖(主要成分为葡萄糖)为碳前体,制备了一系列多孔碳材料(C-GLCs-800),对其进行孔隙结构分析,并应用FT-IR、SEM、TGA对其进行了表征,测定了材料在288、298和308 K下的CO_2和CH_4吸附等温线,根据IAST理论预测了材料对CO_2/CH_4二元体系的吸附选择性。实验结果显示,活化条件对材料的孔隙结构有明显影响,随着KOH/C质量比的增加,所制备的C-GLCs-800比表面积和总孔容先增加后降低。其中C-GLC-800-4的BET比表面积高达3153 m2·g~(-1),总孔容为2.056 cm3·g~(-1)。C-GLC-800-2的窄微孔(Vd1 nm,孔容0.3538 cm3·g~(-1))含量最高,为30.63%。C-GLC-800-2在298 K和105 Pa下对CO_2吸附量高达3.96 mmol·g~(-1),明显高于许多传统吸附材料和MOFs材料在相同条件下对CO_2的吸附容量。应用Clausiuse-Clapeyron方程计算了CO_2和CH_4在材料上的吸附热,应用IAST理论计算了CO_2/CH_4的吸附选择性,结果显示C-GLC-800-2对CO_2/CH_4的吸附选择性为8.35。     

煤基管状炭分离膜的制备及油水分离应用

以煤为主要原料,采用热成型的方法制备炭分离膜,所制备的炭分离膜的孔径分布主要集中在0.1~0.2μm。炭膜的中间层和分离层具有丰富发达的孔结构,且孔径较均匀。炭膜的气体渗透速率的数量级达到10-5cm3/(cm2.s.Pa),H2/N2的理想分离系数达到1.92。并采用煤基管状炭分离膜对油水乳化液进行分离,截油率达98%。     

煤基质表面官能团对二氧化碳及甲烷吸附性能作用规律的研究进展

强化煤层气CH_4开采的深部煤层封存CO_2技术能够有效减少CO_2的排放。由于煤基质具有的吸附性能是煤体吸附CH_4及封存CO_2的主要机理,且煤基质表面官能团对于煤体CO_2和CH_4吸附能力具有潜在的影响,因此本文阐述了表面官能团对煤体CO_2和CH_4吸附性能的作用及机理,归纳了煤基质表面官能团的修饰及表征方法,指出了煤基质表面官能团对CO_2和CH_4吸附作用规律的研究趋势。分析表明:影响煤体CO_2和CH_4吸附性能的官能团主要包括含氧和含氮官能团;整体上,含氧官能团有利于CO_2吸附,含氧官能团对CH_4的吸附作用仍存在一定争议,含氮官能团均有利于提升煤体CO_2和CH_4吸附能力;官能团表征方法包括化学分析法、程序升温脱附、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱和核磁共振波谱。为了深入研究煤基质表面官能团对其吸附性能的作用规律,后续需开展以下工作:建立更为真实的煤体结构模型,提高理论模拟研究工作的预测精度;强化实验科学研究,弥补目前主要以理论模拟为研究手段的不足;优化煤体预处理方法,提高现有官能团表征方法用于煤基质官能团分析的精确度。