基于沸石ZSM-5的CH4/N2/CO2二元体系吸附平衡

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273～353 K,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。     

沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中CH4

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CH₄/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CH₄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CH₄和N₂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CH₄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CH₄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CH₄提纯至31%～41%,回收率为93%～98%。     

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%。     

CO2/CH4/N2在沸石13X-APG上的吸附平衡

采用磁悬浮热天平测量了CO₂、CH₄与N₂在沸石13X-APG上的吸附等温线,温度为293、303、333和363 K,压力为0～500 kPa。对吸附平衡实验数据采用multi-site Langmuir模型和Sips模型进行拟合,均得到良好的拟合效果,非线性回归得到吸附热等模型参数,可为变压吸附工艺过程的开发提供基础热力学数据。将沸石13X-APG吸附分离性能与文献中报道的吸附材料(如沸石分子筛、活性炭、金属有机骨架材料和介孔硅分子筛)性能相比较。通过比较CO₂、CH₄与N₂吸附容量以及相对分离系数,探讨CO₂/CH₄(垃圾填埋气或者CO₂强化煤层甲烷回收气)体系、CO₂/N₂(燃煤电厂、水泥厂以及焦炭厂烟道气)体系以及CH₄/N₂(煤层气)体系吸附分离的高效材料,为未来二氧化碳吸附捕集和甲烷吸附回收提供基础数据。     

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。     

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.     

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。     

噻吩、苯并噻吩二元组分在Cu（I）-13X上的吸附平衡

测E30和50℃下噻吩、苯并噻吩单组分及双组分在Cu（I）-13X上的吸附等温线．采用Langmuir模型对单组分平衡数据进行关联;采用修正的Langmuir模型对噻吩苯并噻吩二组分吸附平衡进行关联．结果表明：苯并噻吩在与噻吩的竞争吸附中占据优势,30℃时噻吩和苯并噻吩吸附平衡量的计算值与实验值的误差分别为3．6％和2．4％;N50℃时噻吩和苯并噻吩吸附平衡量的计算值与实验值误差分别为3．5％和2．2％;Langmuir模型在不同温度下对二元组分具有一定适用性．     

CH_4/N_2在炭分子筛上的吸附平衡与扩散模型

使用高精密质量吸附仪(IGA-100,HIDEN)测定了CH4和N2纯组分在炭分子筛上于298、313和328 K温度下的吸附等温线及吸附动力学曲线,研究了CH4和N2在炭分子上的吸附热力学及动力学性质。选择Double Langmuir模型(DL)对吸附等温线数据进行了模拟;选择Fick扩散模型进行了吸附动力学的模拟。结果表明,DL模型可以准确地描述CH4和N2在炭分子筛上的吸附,拟合相关系数都非常接近1,N2在该炭分子筛上的吸附量大于CH4的吸附量;通过Fick扩算模型计算得:2 4N CHD/D=7.26,N2在该炭分子筛上的扩散速率大于CH4,所以该炭分子筛可以实现固定床出口直接富集CH4的目的。     

Cu2+、Cd2+、Zn2+在高炉水淬渣上的竞争吸附特性

利用等温吸附法考察了高炉水淬渣对Cu²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺的单组分吸附和竞争吸附性能。结果表明,单一组分吸附时,金属离子吸附等温线属于“H”形等温线,吸附平衡符合Langmuir吸附等温模型,高炉水淬渣吸附的顺序为Cu²⁺ >Cd²⁺ >Zn²⁺,这与重金属离子电负性、水合离子半径及荷径比等有关。当加入竞争离子后,Cu²⁺的吸附等温线基本维持原来形状,且仍旧与Langmuir吸附等温模型比较相符,而Cd²⁺ 和Zn²⁺的吸附无法与现有等温吸附模型很好地拟合,等温线的形状由于竞争作用也与传统的等温线均不相同,同时各金属离子的吸附量都比单组分的吸附量降低了。吸附动力学过程先是一个快速阶段,然后进入慢速阶段。无论是单组分还是竞争条件下,伪二级动力学方程拟合结果较好,说明高炉水淬渣与Cu²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺之间的吸附过程主要是以化学吸附为主。     

无烟煤所制活性炭对CH4/N2的分离特性

以无烟煤为原料,采用预氧化-炭化-水蒸气活化法制备颗粒活性炭,用其变压吸附分离CH4/N2,以重量法测定了298 K下N2和CH4单组分及双组分气体在活性炭上的等温吸附曲线,并对活性炭的结构和表面性质进行了表征. 结果表明,以所制活性炭为吸附剂,采用单柱单循环变压吸附过程可将CH4/N2中CH4浓度最高提升30.7%(j). 所制活性炭孔结构以微孔为主且表面具有较多含氧官能团,对CH4/N2的分离效果较好,吸附选择性系数达3.4.     

N2/CH4在吸附剂上的动态吸附特性

对N2/CH4在11种不同商业吸附剂上的动态吸附行为进行了研究。通过吸附平衡、吸附热力学和吸附动力学分析了它们对N2/CH4的吸附分离特性,得到了N2和CH4在各吸附剂上的吸附平衡、吸附热力学和吸附动力学基础数据。通过Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型对N2和CH4在吸附剂上的吸附平衡数据进行线性拟合时发现,对于微孔性活性炭两种模型都能达到较好的拟合结果,而对非炭质吸附剂或非微孔性炭质吸附剂拟合结果并不理想;采用Gibbs方程计算得到的吸附剂对吸附N2和CH4的ΔG都小于0,说明所选吸附剂对N2和CH4的吸附都是自发的过程,对于炭质吸附剂吸附CH4的ΔG小于吸附N2的ΔG,说明炭质吸附剂对CH4的吸附能力较N2要大,且CH4/N2的分离系数与吸附剂对吸附CH4和N2的ΔG差值之间也存在相关性;CH4/N2在AC1上的吸附行为符合准二级动力学模型,说明CH4在吸附剂AC1上的吸附行为由表面吸附过程控制。     

甲烷、乙烷、丙烷和丁烷在中孔活性炭上的吸附平衡

以活性炭AC1为吸附剂,在体积法实验装置上分别测定了其对甲烷、乙烷、丙烷和丁烷4种气体的吸附等温线,吸附温度分别为283、293、303和313 K。利用77 K吸附氮气数据表征AC1,得到其比表面积为956 m²·g^-1,孔体积为1.36 mL·g^-1,孔径分布在1~5 nm,中孔的比例达到了61%。AC1对4种气体的吸附等温线均为I型等温线,分别采用Langmuir方程和Langmuir-Freundlich方程(简称L-F方程)对吸附平衡数据进行拟合,结果表明,L-F方程具有更好的拟合效果,为后序的多组分吸附平衡研究提供了基础数据。AC1对乙烷/丙烷的吸附平衡选择性系数在1.7~2.5,吸附选择性随吸附压力的增大而减小,吸附温度对吸附选择性无明显影响。     

C2H4/CO2混合体系在活性炭上吸附的实验与模型

通过重量法测定吸附等温线,研究了C2H4/CO2混合体系在活性炭上的吸附分离。采用高精度的智能重量分析仪,测定了C2H4和CO2纯组分以及混合组分在活性炭上的吸附等温线,将测量值与DL-IAST模型计算值进行比较,并计算出了C2H4的吸附选择性。结果表明,DL-IAST模型可以准确地描述C2H4和CO2纯组分在活性炭上的吸附;不同摩尔分数下,C2H4/CO2混合体系的DL-IAST模型计算值与实验值吻合得较好,C2H4摩尔分数越大,模型的相对偏差就越小;随着压力的增加,C2H4的吸附选择性减小,C2H4摩尔分数越大,C2H4的吸附选择性也减小。DL-IAST可以准确地描述C2H4/CO2混合体系的吸附等温线以及推算出C2H4的吸附选择性。     

新型真空变压吸附法模拟分离N_2/CH_4/CO_2

依据活性炭对各组分吸附选择性差异,提出一种新型真空变压吸附(VPSA)工艺,可以在N2/CH4/CO2的三组分体系中富集CH4,该方法在传统的重组分提浓工序中加入了CH4和CO2产品气置换步骤,适用于对含低浓度CO2的煤层气甲烷富集。利用Aspen Adsorption软件对该过程进行模拟。原料气假设为体积分数9%CH4/6%CO2/85%N2,活性炭吸附剂对N2/CH4/CO2分离因子为1/4.15/10.62。在进料温度为298 K,吸附压力为0.6 MPa,解吸压力为-0.08 MPa条件下,运行稳态后能够将甲烷浓缩到体积分数77.172%,回收率高达97.923%。同时,CH4在轻重尾气中的体积分数分别仅为0.224%和0.673%。     

酪氨酸和苯丙氨酸在活性炭上的吸附平衡

实验研究了酪氨酸和苯丙氨酸在不同ｐＨ值溶液中在活性炭上的吸附平衡。单组分的吸附平衡数据采用Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ等温线拟合；提出了简单的双组分吸附平衡方程。这些等温线可在吸附过程的开发中得到应用。     

活性炭孔径分布对CH4/N2体系分离的影响

采用变压吸附分离的方法分离CH4/N2体系时,活性炭作为一种主要的吸附剂受到广泛研究.本文采用10-4-3模型计算得出,孔径为0.7～2.0nm的活性炭微孔对CH4/N2体系分离的效果最好；同时利用扩展Langmuir方程通过拟合4种活性炭对CH4/N2的吸附等温线,计算得出分离系数；最后讨论样品的孔径分布与分离系数的关系,进一步证明了10-4-3模型的计算结果.     

双组分阴离子染料在改性花生壳上的竞争吸附

以接枝法制备得到改性花生壳为吸附剂,研究在酸性橙(AO)和活性艳蓝(KN-R)双组分阴离子染料体系中,改性花生壳对两种染料的吸附去除情况,并通过吸附等温线模型和动力学模型,解析在双组分染料共存条件下,改性花生壳对两种染料的竞争吸附机制。结果表明,在双组分体系中,改性花生壳对AO和KN-R的吸附和单组分体系相似,符合Langmuir等温模型和准二级动力学模型。在反应120 min后,改性花生壳对AO和KN-R的吸附量均小于单组分体系下的吸附量,在溶液pH值为2、初始染料浓度为200 mg/L和温度为298 K的条件下,吸附量分别从243.4、360.9 mg/g降低到140.4、231.3 mg/g,改性花生壳对AO的吸附量下降极为显著,说明两种染料存在竞争吸附,染料分子大且磺胺基含量多的KN-R阻碍改性花生壳对AO的吸附。     

啶虫脒和苯胺双组分在树脂上的竞争吸附行为

[目的]研究水溶液中啶虫脒和苯胺双组分在树脂上的吸附行为、树脂对2组分的吸附选择性。[方法]以啶虫脒/苯胺为吸附质,以D201和ZH202树脂为吸附剂,研究啶虫脒和苯胺在单组分、双组分水溶液中2种树脂上288、303、313 K温度下的吸附行为。[结果]2种吸附剂对单组分2种吸附质的吸附等温线符合Freundlich方程,苯胺和啶虫脒在2种吸附剂上吸附过程均为放热过程。[结论]啶虫脒和苯胺双组分共存吸附体系下,呈现竞争吸附现象。     

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。