不同管径碳纳米管中CO2/CH4分离的分子模拟

生物甲烷路线在CO₂减排和节能方面有很大的应用前景。而对生物沼气的分离是此路线的一个关键问题,特别是在60℃和0.1 MPa下。巨正则Monte Carlo（GCMC）和平衡分子动力学（EMD）的分子模拟方法研究CO₂和CH₄在不同管径的碳纳米管（CNT）中的吸附和扩散,可以从分子层面研究生物沼气的分离机理。分别计算了CO₂/CH₄二元混合物吸附量、吸附选择性、自扩散系数和渗透选择性等参数。模拟结果表明：由于碳管的受限空间和CO₂与碳纳米管壁面分子之间强相互作用,导致二元等物质的量的混合物CO₂/CH₄的吸附量和扩散系数的差异。CO₂的吸附量和自扩散系数都比CH₄的大。渗透选择性在碳管管径达到最接近1 nm时达到最大值,此时混合物的分离过程是吸附控制,而非扩散控制。     

沼气变压吸附剂吸附性能比较

研究了工程上常用的3种吸附剂CO2吸附剂硅胶、13X分子筛和碳分子筛在高压(0.1~1 MPa)下对CO2和CH4的吸附容量、稳定性和选择性,以确定其在沼气变压吸附分离中应用的可行性. 结果表明,硅胶的吸附稳定性非常好,0.1 MPa时吸附选择性系数为8~10,能有效分离CH4?CO2;13X分子筛对CH4和CO2吸附容量最高、吸附选择性最好,重复使用5次CO2的吸附容量略有下降;以CH4的损失率作为评价标准时,13X分子筛吸附CH4的损失率最低. 降压不能使被碳分子筛吸附的CH4完全解吸,吸附位不能充分释放,不适用于CH4与CO2的分离.     

CO2/CH4在活性炭上吸附与分离的分子模拟

Monte Carlo 模拟(GCMC)研究了CO2和CH4在活性炭中的吸附情况.氢气和二氧化碳分子被模拟作Kennard-Jones球体,活性炭用一个裂缝气孔模型代替.研究了压力、温度、孔径活性炭对CO2(以CH4为基准)的选择性的影响.结果表明,低压、低温、孔径越小,选择性越大,即对分离CO2和CH4有利;233 K、孔径为2.29 nm以及低压下选择性达到10,此时分离效果较好.     

CO_2,CH_4在全硅MFI型沸石中吸附的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)分子模拟方法研究了CO2,CH4分子在全硅MFI型沸石中的吸附行为,计算得到了纯组分和两组分的混合物在不同温度时的吸附等温线;分析了全硅MFI型沸石对混合组分的选择性吸附;模拟还得到了CO2,CH4分子在全硅MFI型沸石中的吸附位。     

CO_2/CH_4在活性炭上吸附与分离的分子模拟

Monte Carlo模拟（GCMC）研究了CO2和CH4在活性炭中的吸附情况。氢气和二氧化碳分子被模拟作Ken-nard-Jones球体,活性炭用一个裂缝气孔模型代替。研究了压力、温度、孔径活性炭对CO2（以CH4为基准）的选择性的影响。结果表明,低压、低温、孔径越小,选择性越大,即对分离CO2和CH4有利;233 K、孔径为2.29 nm以及低压下选择性达到10,此时分离效果较好。     

CH4/CO2混合组分在13X分子筛上的吸附平衡及分离性能

采用高精度智能重量分析仪IGA-100对13X分子筛进行CH4、CO2的吸附分离实验。于298、310、326 K温度下,分别测定了CH4、CO2纯组分及混合组分的吸附等温线。纯组分吸附等温线用DL(Double-Langmuir)模型拟合,并通过DL-IAST(Ideal Adsorbed Solution Theory,IAST)模型与实验测定值进行比较。利用该模型计算出不同温度下混合气中各组分的吸附量,得到了CO2的吸附选择性。结果表明,DL-IAST模型可以准确地描述CH4、CO2在13X分子筛上的吸附行为。在298 K时,随着压力的增加,CO2的吸附选择性增加,最后稳定在80左右;当温度一定时,CO2吸附选择性随着混合物中CO2浓度增加而减小。     

金属有机骨架材料在CO_2/CH_4吸附分离中的研究进展

CO2/CH4分离能耗高是生物甲烷过程核心难题之一。金属有机骨架材料(metal organic frameworks,MOFs)由于其优异的CO2吸附分离性能,被视为最具潜力的CO2分离捕集材料,近年来引起了广泛的关注。本文结合沼气的特点和MOFs研究的最新进展,对MOFs材料在CO2/CH4吸附分离过程的相关实验研究工作进行了综述。     

C02，CH4在全硅MFI型沸石中吸附的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）分子模拟方法研究了CO2,CH4分子在全硅MFI型沸石中的吸附行为,计算得到了纯组分和两组分的混合物在不同温度时的吸附等温线;分析了全硅MFI型沸石对混合组分的选择性吸附;模拟还得到了COz,CHt分子在全硅MFI型沸石中的吸附位。     

Adsorption separation of CO2, CH4 and N2 on β-zeolite with different SiO2/Al2O3 ratios

采用体积法在273 K和303 K温度下对CO2、CH4和N2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,CO2的吸附量要大于CH4和N2的吸附量;随着硅铝比的减小CO2的吸附量增加,而硅/铝比对CH4和N2的吸附量的影响较小。通过结合Virial方程计算CO2、CH4和N2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CO2/CH4和CO2/N2均具有很高的吸附选择性,随着样品硅/铝比的减小,CO2/CH4和CO2/N2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CO2。用Clausius-Clapeyron方程求得CO2、CH4和N2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。     

氨基修饰微孔/介孔复合材料AM-5A-MCM-41对CO_2吸附分离的分子模拟

构建了氨基修饰微孔/介孔复合材料AM-5A-MCM-41的全原子模型,采用巨正则Monte Carlo(GCMC)方法研究了它的CO2吸附分离性能,采用加权混合规则来描述氨基和CO2分子的弱化学作用。模拟结果表明,CO2分子优先吸附在复合材料介孔表面的氨基附近,CO2纯气体的吸附量和吸附热有了显著提高,而N2的吸附量和吸附热则基本不受影响。对于CO2和N2的混合气分离,由于复合材料对CO2的弱化学吸附作用,显著提高了CO2吸附量和吸附选择性,在573 K和100 kPa时CO2/N2的选择性达到了87.0。通过分子模拟研究可以从微观角度了解CO2在氨基修饰的微孔/介孔复合材料中的吸附分离的细节和机理,为实验设计和合成高效CO2吸附剂提供指导。     

CO/N2/CO2在MOF-74(Ni)上吸附相平衡和选择性

主要研究了MOF-74(Ni)材料对CO/N₂/CO₂的吸附分离性能。应用水热法合成制备MOF-74(Ni),分别采用全自动表面积吸附仪、P-XRD、扫描电子显微镜对材料的孔隙结构和晶体形貌进行了表征,应用静态吸附法测定了CO、N₂和CO₂在MOF-74(Ni)上的吸附等温线,应用DSLF方程模拟了3种气体MOF-74(Ni)上的吸附等温线,依据IAST理论模型计算了MOF-74(Ni)对CO/N₂二元混合物和CO/CO₂二元混合物的吸附选择性。研究结果表明:在0.1 MPa和常温条件下,MOF-74(Ni)材料对CO吸附容量高达6.15 mmol·g^-1,而相同条件下N₂的吸附量只有0.86 mmol·g^-1。MOF-74(Ni)在低压下(0～40 kPa)对CO的吸附量明显高于其对CO₂的吸附量。应用IAST模型估算MOF-74(Ni)对二元混合物吸附选择性的结果表明:MOF-74(Ni)对CO/N₂混合物的吸附选择性在1000以上;MOF-74(Ni)对CO/CO₂的吸附选择性在4～9范围,在所研究的二元气体混合物吸附体系中,MOF-74(Ni)都能优先吸附CO。     

用于吸附分离CH4/CO2的碳分子筛的制备研究

以碳分子筛(CMS)作为吸附剂,探索其对CH4/CO2混合气的分离纯化性能。采用化学气相炭沉积法,以价格便宜的商品椰壳基活性炭为原料,以苯为沉积剂,制备碳分子筛。研究了沉积时间和沉积温度对CMS的吸附性质的影响。采用容量法对CMS吸附CH4和CO2性能进行测定。结果表明,在沉积温度为700℃,沉积时间为40min时制备的CMS平衡吸附选择性系数为58.03,远高于活性炭的5.124,对CH4/CO2有良好的分离效果。     

不同结构活性炭对CO_2、CH_4、N_2及O_2的吸附分离性能

制备了比表面积为1943 m2/g的纯微孔活性炭AC-1和比表面积为1567 m2/g,中孔比例为47.18%的活性炭AC-2.分别以AC-1及AC-2为吸附剂测定CO2、CH4、N2和O2的298 K吸附等温线,考察了两种活性炭对CO2/N2、CO2/CH4及CH4/N2气体混合物的吸附分离性能.实验结果表明,孔结构是影响吸附剂吸附分离性能的主要因素.富中孔活性炭AC-2较AC-1更适用于CO2/N2、CO2/CH4气体混和物的吸附分离,而微孔活性炭AC-1对CH4/N2混合体系的吸附分离性能优于AC-2.     

沸石分子筛对CO_2/CH_4混合气的分离效果研究

选取5A沸石分子筛作为脱碳吸附材料,考察了其对CO2及CH4单组份的吸附效果。结果表明,5A分子筛真空解吸在1 h 50 min即可达到解吸、脱碳、再生的目的,且经8次重复吸附-解吸后仍具有较高及较稳定的脱碳效率。将5A分子筛应用到沼气实际分离实验中,在沼气中n(CO2)∶n(CH4)=40∶60的条件下,经单塔处理可达0.17 m3/kg处理量,甲烷纯度可达97%以上,且连续处理速率为0.60 m3/(h·kg),该研究为今后的沼气分离工程提供了技术参数。     

掺杂、吸附和空位缺陷对碳纳米管导热的影响

采用非平衡分子动力学方法,选用反应经验键序势能,模拟了分别含有掺杂、吸附和空位点缺陷的碳纳米管的导热,并开展了基于第一性原理的声子谱分析;研究了碳管长度、管径、手性以及环境温度等因素的影响。缺陷效应分析表明：与完整无缺陷碳纳米管相比,掺杂、吸附和空位均会导致碳管热导率显著下降,以及碳管轴向温度分布在缺陷处产生非线性的间断性跳跃;缺陷类型对碳管热导率的影响最大,管径次之,管长影响相对最小;而空位、掺杂和吸附对碳管热导率的影响力依次是减小的。     

碳纳米管吸附分离CH_4/N_2二元混合物的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛模拟与理想吸附溶液理论相结合的方法研究了CH_4、N_2及其混合物在(6,6)碳纳米管簇内的吸附性能。探讨了压力、温度及气相组成对混合物分离性能的影响。CH_4选择性在9.4~10.8变化,并随着压力的升高呈现出先略微上升后下降的趋势。IAST模型可很好地预测压力及气相组成对混合物分离性能的影响,平均相对偏差分别为2.12%和1.49%。此外,随着温度由300 K升高至500 K,CH_4选择性降低了63.19%。     

基于沸石ZSM-5的CH_4/N_2/CO_2二元体系吸附平衡

采用Rubotherm磁悬浮天平测量CH4、N2和CO2在沸石ZSM-5上的单组分吸附平衡等温线,温度273~353K,压力0~500 kPa。采用Sips模型、Toth模型和MSL模型对单组分吸附平衡实验数据进行拟合,拟合结果良好,非线性回归得到相应的模型参数。测量双组分CO2/N2、CO2/CH4和CH4/N2在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,实验温度为293 K,实验压力为0~500 kPa。采用基于Sips模型的理想吸附溶液理论和双组分MSL模型预测双组分气体在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,并与实验结果进行比较,预测结果良好。比较CO2/N2、CO2/CH4以及CH4/N2体系在沸石ZSM-5上的竞争吸附选择性系数,探究沸石ZSM-5吸附分离烟道气(CO2/N2体系)、垃圾填埋气(CO2/CH4体系)或煤层气(CH4/N2体系)的可行性,为将来进行工艺设计提供基础数据。     

多孔石墨烯气体分离膜分子渗透机理

通过分子动力学方法模拟了4种不同气体分子(He,H2,N2和CH4)在多孔石墨烯气体分离膜中的穿透过程,揭示了气体分子穿透石墨烯纳米孔的渗透机理,指出分子的渗透不仅与其动力学参数有关,如分子直径和质量,还与分子在石墨烯表面的吸附有关。石墨烯表面的吸附层给气体分子的渗透提供了一个额外的路径,因此分子在石墨烯表面的吸附越强,分子的渗透通量越大。同时,不同大小的纳米孔下H2分子的渗透通量都随着压力的增加而线性增加。     

注气竞争吸附提高煤层气采收率机理数值模拟研究

在分析煤层气赋存状态及注气竞争吸附提高采收率机理的基础上,建立了注气提高煤层气采收率机理数值模拟模型,并进行了计算和分析。通过研究表明：①注CO2较衰竭式开采能大大提高CH4的采出量。②对各个时间点地层各部分CO2和CH4的吸附量进行了分析对比,通过对比发现,随着时间的增加,CO2的吸附量不断的增大,并且由注入端向采出端由大到小过渡;而CH4的吸附量不断的变小,并且由注入端向采出端由小到大过渡。说明CO2的吸附能力大于CH4的吸附能力, CO2取代CH4吸附在煤层上,产生的游离CH4被采出。CO2和CH4吸附量的变化还受到主流线的控制。     

分离CO_2/CH_4的吸附剂研究现状

介绍了不同吸附剂对CO2/CH4的吸附分离性能,包括吸附分离因子以及CO2吸附量等。着重阐述了碳分子筛的两种改性方法——氧化改性和氮基基团改性。从材料结构及再生性能上分析,碳分子筛可能更适合成为变压吸附分离CO2/CH4的吸附剂。