甲烷在活性炭上吸附的实验及理论分析

为确定甲烷在活性炭上的等量吸附热和预测过剩吸附量的吸附模型,在温度区间268～338K、压力范围0～12.8MPa测试甲烷在Ajax活性炭上的吸附等温线。引用Ono-Kondo方程分析吸附数据,并由等量吸附线标绘和Henry定律常数确定等量吸附热。结果表明,标定参数后的Ono-Kondo方程预测甲烷过剩吸附等温线的相对误差小于2.5%;温度变化影响等量吸附热的数值,甲烷在Ajax活性炭上的等量吸附热和平均极限吸附热分别为17.25kJ·mol-1～21.5kJ·mol-1和22.5kJ·mol-1。应根据吸附天然气(ANG)系统在典型充放气过程中温度变化极值时的等量吸附热来设置吸附热管理措施。     

甲烷在活性炭上的吸附平衡研究

以吸附式天然气(ANG)的工程应用为目的,展开甲烷在活性炭上吸附平衡研究。首先,在温度区间-10℃~40℃、压力范围0~8MPa,测试甲烷在比表面积为1916m2/g SAC-02活性炭上的吸附平衡数据,并在不同压力区域比较DA方程、Toth方程和Ono-Kondo方程的预测精度。其次,选用Clausius-Clapeyron方程,分别通过过剩吸附量和绝对吸附量的等量线标绘以及DA方程计算甲烷在活性炭上的等量吸附热。结果表明,平衡压力高于1MPa时,Toth方程和DA方程预测结果累计误差的平均值分别为0.3%和0.5%;过剩吸附量和绝对吸附量标绘、DA方程确定的等量吸附热为17.31k J/mol~20.24k J/mol、16.49k J/mol~18.81k J/mol、15.29k J/mol~21.58k J/mol,但DA方程计算值随温度变化。ANG工程应用可选择Toth方程和DA方程用于模型分析和等量吸附热计算。     

甲烷在活性炭上的吸附平衡及充气试验

为探索缓解家庭用ANG储罐在使用过程中受热效应影响的热管理措施,在温度区间263.15K～313.15K、压力范围0MPa～8MPa,测试了甲烷在比表面积为2074m2.g-1的SAC-02椰壳活性炭上的吸附平衡数据,并由Toth方程确定了相应的绝对吸附等温线。其次,在室温、3.5MPa、5L.min-1～25L.min-1的甲烷流率下,对装填有390g活性炭、中心区域布置U型换热管的储罐进行充气试验。结果表明,Toth方程在试验范围内的预测相对误差小于3.25%;储罐吸附床压力的上升速率是影响实际充气流率、吸附床温度变化和充气总量的关键因素;在试验范围内,U型管内循环30℃的冷却水可降低吸附床的平均温度和最大温升约3.6℃和7.3℃,但仅能提高约6.5%的总充气量。Toth方程可用于分析甲烷在活性炭上的吸附平衡,延长储罐吸附床压力上升至充气压力的时间可改善ANG储罐的充气性能。     

苯在活性炭纤维上吸附等温线的测定及分析

 采用质量法在Cahn-2000高真空电子天平上测定了温度298～328K和压力0～1.5kPa条件下苯在活性炭纤维上的吸附等温线。用Langmuir方程处理实验数据，得到的吸附模型符合Langmuir模型，并根据吸附等温线用Clausius-Clapeyron方程计算出苯的等量吸附热。结果表明，苯的等量吸附热随着吸附量的增加而减小，由vant Hoff方程计算苯在活性炭纤维上的平均吸附热为39.79kJ/mol。     

甲烷在MOF-5和MOF-199上的吸附平衡

以研制吸附式天然气(ANG)用金属有机骨架材料(MOFs)吸附剂为目的,在温度区间283.15～303.15K、压力范围0～9.5MPa,测试并分析了甲烷在制备MOF-5和MOF-199试样上的吸附平衡。首先,运用机械化学法和溶剂热法合成MOF-5和MOF-199,合成试样经XRD衍射、SEM微观形貌观察和热重分析,并由77.15K氮的吸附数据表征样品的孔大小及分布、比表面积和微孔容积。其次,选择极低压力下的吸附平衡数据标定亨利定律常数,确定甲烷在两吸附剂上的极限吸附热。最后,依据测试的甲烷在两种吸附剂上的高压吸附平衡数据,比较了由试验数据关联Langmuir系列方程参数后预测数据的累计相对误差,并由累计相对误差最小的Toth方程计算绝对吸附量后标绘确定甲烷在两试样上的等量吸附热。结果表明,在测试的温度压力范围内,Toth关联方程预测甲烷在MOF-5和MOF-199上吸附平衡数据的累计相对误差为3.17%和4.05%,甲烷在制备MOF-5和MOF-199试样上极限吸附热和等量吸附热的平均值分别为17.33kJ/mol、11.93kJ/mol和20.65kJ/mol、16.34kJ/mol。MOF-199对甲烷分子有较强的吸附作用。     

�����ڻ���̿�����������ߵIJⶨ������

吸附天然气存储被认为是最有希望取代高压压缩天然气存储的低压存储技术。在较宽的温度和压力范围内(－20～60℃，0～4．5 MPa)，采用容积法测定了甲烷在中等比表面积的颗粒活性炭(JX101)上的吸附等温线。用修正的 Langmuir 方程很好地拟合了实验数据，并据吸附等温线计算出等量吸附热和极限吸附热分别为18．5kJ／mol 和 20．2 kJ／mol。本工作为大规模天然气吸附存储技术的开发奠定了基础。     

天然气吸附存储(ANG)复合吸附剂研制

以抑制ANG存储过程中的热效应为目的,展开制备具有较高导热率的复合吸附剂的研究。根据容积法原理,在263.15~313.15K、0~9MPa,选择比表面积为1916m~2/g的活性炭,测试甲烷在膨胀石墨/活性炭混合比率分别为0%、20%和33%的吸附剂试样上的吸附平衡数据,并通过Toth方程和DA方程对吸附数据的模型分析,确定甲烷在吸附剂试样上的等量吸附热。结果表明,随膨胀石墨添加比例增大,复合吸附剂的比表面积与孔容积减小,导热系数显著增大,甲烷在复合吸附剂上的吸附容量和等量吸附热减小;由等量吸附线标绘和引入DA方程计算确定的甲烷在吸附剂上的等量吸附热均处于15~18kJ/mol范围,但DA方程计算结果能体现等量吸附热随温度变化的特点。由活性炭、膨胀石墨复合制备ANG吸附剂需兼顾甲烷在其上的吸附容量、传热与传质性能。     

基于重量法的煤吸附甲烷实验及热力学分析

研究吸附热对认识煤吸附甲烷作用机理具有重要作用.利用重量法对2组煤样进行303 K、308 K、313 K等温吸附实验,计算得到煤吸附甲烷的等量吸附热,分析煤吸附甲烷的热力学性质.结果 表明:计算得到的等量吸附热在实验温度压力及对应的吸附量范围内最大值分别为30.51 kJ/mol和23.14 kJ/mol,表明煤对甲...     

n-C_5~0/C_6~0在5A分子筛上的吸附

本文着重研究了在C_5~0/C_6~0全异构化工艺过程中所采用的吸附分离条件下正戊烷和正己烷在5A分子筛上的吸附热力学.测定了533～653K和5.32～199.5kPa下正戊烷和正己烷在5A分子筛上的吸附平衡数据.用Langmuir方程、D-A方程等对实验吸附等温线数据进行拟合的结果表明,在低压范围内,Langmuir方程可以很好地拟合实验结果,但在较宽的压力范围内,D-A方程对实验结果拟合得更好.利用拟合得到的D-A吸附等温线方程进行内插,并通过Clausius-Clapeyron方程计算出了正戊烷和正己烷在5A分子筛上的等量吸附热以及吸附熵.计算结果表明,随着吸附容量的增大,吸附热也出现增大的趋势.     

甲烷在碳基材料和MOFs上极低压力下的吸附平衡

为研制新型吸附式天然气(ANG)吸附剂,比较了极低压力下甲烷在典型碳基吸附剂和MOFs上的吸附平衡。碳基吸附剂选择SAC-02活性炭、GS(2D)单层石墨烯和GS(3D)层状石墨烯;MOFs为由溶剂热法制备的MOF-5(S)、HKUST-1、ZIF-8以及由机械球磨得到的MOF-5(M)。试样首先由77K下氮气的吸附等温线确定孔大小及分布(PSD)、比表面积和微孔容积,然后在温度283~303K、压力0~0.1MPa测试甲烷的吸附平衡数据,并由Henry定律常数计算甲烷在试样上的极限吸附热。结果表明,碳基吸附剂的比表面积和微孔容积为影响其甲烷吸附量的关键因素;相对于MOF-5(S),MOF-5(M)的比表面积和微孔容积增大且PSD集中于微孔。设计ANG用MOFs应考虑ANG储存的压力范围。     

甲烷在活性炭上吸脱附行为的研究

用标准容积法测得中压（０～５．０ＭＰａ）下不同活性炭对甲烷的吸脱附等温线，得到了吸附容量和有效吸附容量。结果表明，活性炭对甲烷的吸脱附存在着滞后现象。研究了温度对吸附等温线的影响。通过对吸附法和压缩法甲烷储存密度的比较，得出了吸附法定容储存甲烷的最佳压力范围是３．０～４．０ＭＰａ。利用Ｃｌａｕｓｉｕｓ－Ｃｌａｐｅｙｒｏｎ方程解析了甲烷在活性炭上等量吸附热。结果表明，随着吸附量的增加，等量吸附热降低     

甲烷在高比表面积活性炭上吸附行为的初步研究

采用以石油焦为原料、ＫＯＨ为活化剂制得的高比表面积活性炭作为吸附剂,研究了甲烷在这种活性炭上的吸附行为,探讨了活性炭的比表面积和孔结构与其甲烷吸附性能的关系以及吸附温度对甲烷吸附行为的影响。结果发现,活性炭的比表面积和孔结构是决定其甲烷吸附性能的主要因素;活性炭对甲烷的吸附量随吸附温度的升高逐渐减少;比表面积为２９５３ｍ２／ｇ的高比表面积活性炭在２６℃、３．５ＭＰａ下对甲烷的质量吸附量为０．２８９ｇ／ｇ,换算为标准状态（ＳＴＰ）下的体积吸附量为１２１Ｖ／Ｖ。     

基于逸度与压力计算页岩吸附甲烷的等量吸附热差异分析——以延长探区延长组页岩为例

为了完善吸附热力学参数的计算方法,明确陆相页岩吸附CH4的热力学特征,以延长探区延长组页岩为研究对象,开展了不同温度下页岩吸附CH4的等温吸附实验,并利用绝对吸附量曲线对比分析了基于逸度-绝对吸附量与压力-绝对吸附量的等量吸附热的差异.结果表明:①逸度小于压力,在低压力区间(0.36～2.21 MPa)内,逸度与压力的...     

页岩气超临界吸附的Dubibin-Astakhov改进模型

甲烷在页岩上的吸附属于物理吸附,且属于超临界吸附。利用Gibbs公式将过剩吸附量转换为绝对吸附量,将Dubibin-Astakhov(D-A)吸附模型和吸附特征曲线结合,研究了页岩中超临界甲烷的吸附机理。研究结果表明:D-A方程不能直接应用于页岩中甲烷吸附机理的研究,因为其得到的吸附特征能是温度的函数,与吸附势理论相违背;D-A吸附模型和吸附特征曲线结合,推导出了改进的D-A吸附模型,其中虚拟饱和蒸汽压的计算采用改进的Dubinin公式,同时利用提出的改进Amankwah方法求取最优k值;改进的D-A吸附模型能够预测页岩中甲烷的吸附等温线,且其精度较高,能够预测页岩储层不同温度、压力下甲烷在页岩中的吸附量,并可以用于页岩气资源评价。     

基于双位Langmuir模型活性炭的CH_4吸附特征

较之于压缩天然气存储和液化天然气存储,天然气吸附存储(ANG)方式具有能显著降低储存压力和运行成本的优点,然而,要将测定的吸附量转化为绝对吸附量,需要采用合适的模型。为了准确预测活性炭上甲烷的总储存量,采用双位Langmuir模型描述并准确预测了甲烷在活性炭上的吸附行为,误差在5%以内;进而解释了温度介于283.15～323.15 K、压力介于0.1～14.0 MPa条件下,活性炭上甲烷吸附平衡的临界点。研究结果表明:①在过剩吸附量超过极大值后,不同温度下的吸附等温线将出现交叉现象,在交叉点后,温度越高过剩吸附量越大;②甲烷的吸附相体积和气相密度,随平衡温度和压力的变化而变化,随着温度的升高,体积密度项对于绝对吸附量的贡献逐渐减小;③在343.15 K和14 MPa以下,实际吸附甲烷量超过86.9%,游离甲烷相含量低于13.1%,游离甲烷相含量的贡献率随温度的升高而逐渐增大。结论认为,该模型能快速、准确地预测真实的甲烷存储量,可以为大型天然气吸附存储技术的研究和开发提供帮助。     

甲烷在蒙脱石狭缝孔中吸附行为的分子模拟

利用蒙特卡罗方法研究甲烷在蒙脱石中的吸附行为,构建了蒙脱石狭缝孔模型,讨论了不同孔径、温度、含水量和组成对甲烷在蒙脱石中吸附行为的影响,揭示了甲烷在蒙脱石中微观吸附机理。研究结果表明：甲烷平均等量吸附热随着孔径增大而下降,且小于42 kJ/mol,说明甲烷在蒙脱石中吸附属于物理吸附;随着压力增大或孔径减小,甲烷在孔中吸附逐渐由能量较高吸附位向能量较低吸附位转移,造成甲烷吸附量增加;蒙脱石微孔中,甲烷吸附量随着孔径增大而增大,而中孔中,随着孔径增大而减小;甲烷分子在蒙脱石孔中吸附气量所占比例随着压力增大或孔径增大而呈下降趋势,当孔径大于6 nm时,蒙脱石孔中以游离气为主;随着温度升高,甲烷等量吸附热减小,甲烷在孔中的吸附逐渐由能量较低吸附位向能量较高吸附位转移,造成蒙脱石对甲烷吸附能力降低;水分子在蒙脱石孔中受到范德华力和静电能共同作用使其以定向方式堆积在孔壁表面,且水分子占据了甲烷分子吸附位和吸附空间,造成蒙脱石对甲烷吸附能力降低;多元组成竞争吸附中,蒙脱石对气体吸附能力大小的顺序为二氧化碳、甲烷、氮气;氮气或二氧化碳的增加,会造成甲烷在气相中摩尔分数降低、甲烷吸附位的变化以及甲烷吸附空间减小,三者的综合作用导致了蒙脱石对甲烷吸附能力降低。