炭分子筛的表征

炭分子筛是浓缩煤层气变压吸附机组的关键材料,性能的好坏直接影响变压吸附机组的性能。通过在77 K下N2的吸脱附等温线对炭分子筛的比表面积、孔径分布进行测定,通过吸附试验对炭分子筛吸附N2,O2,CO2,CH4,H2的能力及N2和CH4在炭分子筛上的吸附速度进行比较,以确定不同炭分子筛分离气体的能力。     

CH4／O2在炭分子筛上的吸附动力学

为消除低浓度煤层气对煤层开采存在的安全隐患,提出了利用甲烷和氧气在炭分子筛上的动力学差异进行脱氧的工艺。采用容积法测定了纯CH4和O2在炭分子筛颗粒上的吸附动力学数据,并利用单床变压吸附装置测定了混合气体在298．15K,各压力下的穿透曲线。研究结果显示：吸附初期,O2在CMS上的扩散速率明显大于CH4;在混合体系穿透曲线上,O2的穿透时间远大于CH4,炭分子筛固定床表现出对O。的优先吸附选择性,可以实现出口直接富集甲烷的目的。0．4MPa时,当产品气中CH4含量为92．44％时,CH4回收率为73．27％。     

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。     

炭分子筛上氧、氮吸附特性的实验测定

针对BF型炭分子筛孔结构的特点,利用双分散孔结构吸附模型,采用色谱扰动-应答方法,对微孔扩散控制传质机理进行了实验认定,测定了O2的吸附平衡常数K、扩散时间常数Dc/rc2以及O2、N2两组分常温下的吸附等温线.     

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。     

炭分子筛表征现状

综述了国内外评价炭分子筛的主要方法,分析了炭分子筛的孔隙结构及表面化学性质对吸附分离性能的影响规律,讨论了不同吸附理论模型在表征炭分子筛性能方面的优势与不足,展望了利用CO2,N2等探针分子的吸附等温线表征炭分子筛结构的可行性。     

稻壳生物炭对水中低浓度Pb(Ⅱ)的吸附特性

利用农业废弃物稻壳在773 K条件下制备稻壳生物炭,对铅离子的吸附行为特性进行了分析研究。实验结果表明,稻壳生物炭可以有效地去除铅离子;吸附等温线更符合Langmuir等温吸附方程,属自发的吸热反应;吸附动力学更符合假二级动力学模型,吸附限速是由表面扩散和内扩散共同控制的;去除稻壳生物炭的灰分后,平衡吸附量明显减小,无机组分对去除铅离子有重大贡献。     

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。     

大孔吸附树脂吸附乳酸及乳酸与谷氨酸的分离

通过筛选,得到大孔吸附树脂NKA-II,并用其对乳酸进行分离. 测定了该树脂对乳酸与谷氨酸的吸附选择系数,得到了乳酸在NKA-II上的吸附等温线,并对其吸附动力学和动态吸附进行了研究. 结果表明,NKA-II对乳酸和谷氨酸的吸附选择系数KGL=16.19. 该树脂对乳酸的吸附等温线符合Freundlich方程,在26和48℃下的相关系数R2均大于0.99,方程的特征参数n>1,属"优惠吸附". 吸附动力学研究表明,粒内扩散是吸附过程的主要控制步骤,符合Kannan-Sundaram粒内扩散模型,相关系数R2=0.9906,粒内扩散速率常数kp=6.0129 mg×min0.5/g. 动态吸附实验结果表明,乳酸的穿透体积比谷氨酸大110.6 mL,故该树脂可以成功地应用于乳酸与谷氨酸的分离.     

气体分离用管状炭分子筛膜

以无机陶瓷管为支撑体、热塑性酚醛树脂为原料,经高温炭化制备了炭分子筛膜。用低温N2吸附的方法测定了炭分子筛膜的比表面积,用扫描电子显微镜对膜的形貌和厚度进行了表征。考察了膜的气体透过率以及气体的理想选择性随温度的变化关系:H2、CO2、O2、N2和CH4的透过率随温度的升高而增大;理想选择性α(H2/N2)、α(CO2/N2)、α(CO2/CH4)随温度的升高而减小,而α(O2/N2)随温度的升高先增大后减小,在90℃左右气体选择性达到最大。最后由阿累尼乌斯公式计算了气体透过炭分子筛膜的活化能,进一步说明气体透过机理为活化扩散。     

低浓度煤层气提纯的研究现状

煤矿开采过程中排放出大量低浓度煤层气,提纯利用这部分煤层气对我国能源开发利用和环境保护意义重大,其难点是经济高效地分离CH4和N2.本文从CH4/N2分离技术、变压吸附分离CH4/N2吸附剂和制备新型炭分子筛3个方面逐层对低浓度煤层气提纯进行了综述和展望.介绍了CH4/N2分离技术研究进展,对其在低浓度煤层气提纯中的应用前景进行了对比.概述了常用变压吸附剂分离CH4/N2的研究现状,分析了它们在低浓度煤层气提纯应用中的优缺点,并提出了制取适合低浓度煤层气提纯用的新型炭分子筛的方法.     

煤层气在活性炭和炭分子筛上变压吸附分离

变压吸附分离是有效的气体分离提纯方法,采用合适的吸附剂可对煤层气(CH4/N2混合气体)进行高效分离,节约能耗。在单床吸附装置上测量了CH4/N2混合气体在3种活性炭和4种炭分子筛吸附柱上的穿透曲线,并进行实验研究再生条件对吸附剂分离性能的影响。实验结果表明,7种吸附剂均对CH4/N2混合气具有一定程度的分离能力,且高温真空再生后吸附效果更好;但仍需开发出更有效的吸附剂。     

活性炭对氢气中O_2与N_2的吸附性能研究

研究测定了温度为77 K,压力0.1 MPa,流量分别为5、8、10 L·min-1时活性炭对O2、N2的饱和吸附量,考察了O2与N2双组分杂质在氢气中共存对活性炭吸附行为的影响,并采用Fick扩散模型分别对O2和N2在活性炭内的扩散行为进行了分析,求出了实验条件下O2与N2在活性炭内的扩散系数,确定了二者在活性炭内的扩散均属于晶体扩散。     

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。     

二氧化硫在HZSM-5分子筛中吸附的分子模拟

通过实验测定了二氧化硫(SO2)在HZSM-5型分子筛中的吸附性能,采用巨正则系综Monte Carlo方法建立相应的吸附模型,模拟计算相应的吸附行为。在实验与模拟结果相吻合的基础上,进一步模拟计算了SO2在HZSM-5型分子筛中的吸附等温线、吸附微观构型及吸附热等性质。结果表明:随着硅铝比(摩尔比)的增大,分子筛对SO2的吸附量降低,当硅铝比大于191时,硅铝比对SO2的吸附量影响很小。SO2分子主要吸附在氢离子和Al原子周围。在Al原子周围,SO2分子比较集中,同时发现氢离子的存在会阻碍SO2的扩散。在吸附量相同的条件下,SO2在HZSM-5型分子筛的吸附热随着硅铝比的升高而降低。     

炭分子筛的孔径分布研究

采用容积法测定了CO2在两种炭分子筛（CMS-200A、CMS-200B）上的吸附等温线,温度为273K、相对压力为0.000001～0.9。通过HK模型和D-R方程对吸附平衡数据进行分析,计算得到了两种炭分子筛的孔径分布。结果表明：两者的孔径分布主要在0.35～0.8nm之间,CMS-200B的平均孔径略大于CMS-200A。HK模型和D-R方程两种方法均可以反映出两种炭分子筛孔径分布的差异,且计算得到的结论是一致的。     

丙烷在不同硅铝比的NanZSM-5型分子筛上的吸附性质的分子模拟

用巨正则系综蒙特卡罗（GCMC）和构型偏倚蒙特卡罗（CBMC）相结合的分子模拟方法,研究了丙烷在不同硅铝比的NanZSM-5型分子筛中的吸附性质,并建立了丙烷在不同硅铝比的NanZSM-5型分子筛上的双点Langmuir等温线模型。计算结果显示,模拟结果与文献报导的实验结果相吻合,分子筛骨架上的硅铝比对丙烷的吸附量和吸附等温线无明显影响,并证实双点Langmuir等温线模型能较好地描述丙烷在不同硅铝比的NanZSM-5型分子筛上的吸附性质。     

煤层气变压吸附用炭分子筛的制备研究

为解决煤层抽放气中CH4/N2的分离问题,以椰壳炭化料为原料,采用炭化、活化和炭沉积相结合的方法,以苯为沉积剂,改变工艺条件,制备了不同性能的炭分子筛,研究了炭分子筛前驱体的种类、苯流量对炭分子筛分离效果的影响,结果表明,在炭化温度450℃,炭化时间40 min,活化温度850℃,活化时间120 min时制备的炭分子筛前驱体,进一步制成炭分子筛对CH4/N2的分离效果最好;在750℃,沉积时间30 min,苯流量0.45 m L/min时制备的炭分子筛对CH4/N2的分离效果最好。     

氧和氮在炭分子筛上的吸附与扩散

用重量法研究了氧、氮在两种空分用炭分子筛上的吸附与扩散。结果表明,氧和氮在炭分子筛中的扩散是活化扩散,该过程可用双孔模型进行描述。求得了氧、氮的扩散系数。     

两种生物质炭对水中多环芳烃萘的吸附研究

在500℃条件下,利用稻壳和高粱秸秆为原料制成两种生物质炭,对其理化性质和结构表征做出分析,并研究了生物质炭对水溶液中萘的吸附行为。结果表明,两种生物质炭均具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构,且富含烷烃、烯烃、羟基、羰基、酯基等活性官能团。随着反应时间的推移,吸附量的整体变化趋势为先迅速(4 h内)增加而后平缓(4～8 h)趋于平衡(8 h后)。两种生物质炭吸附动力学过程符合准二级动力学模型,为化学吸附。高粱秸秆炭符合Langmuir吸附等温线模型,为单分子层吸附;稻壳炭符合Freundlich吸附等温线模型,为多分子层吸附。实验结果显示,高粱秸秆炭吸附效果优于稻壳炭。