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。     

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。     

F—H—VSM模型对吸附等温线的模拟

利用重量法在常温及０－０．１ＭＰａ下,测定了氧气,氮气,甲烷气在３种碳分子筛上的吸附平衡数据。结果表明,氧气,氮气在不同碳分子筛上的吸附量非常接近,但都远小于甲烷吸附量,用Ｆ－Ｈ－ＶＳＭ模型对吸附平衡数据进行了关联,表明该模型对实验数据能够较好的拟合。     

硅沸石Silicalite－1吸附与脱附性质的研究Ⅰ．若干气体及小分子烃类的吸附与脱附

用微量真空电子吸附天平于室温下测定氟里昂－１２（二氟二氯甲烷），ＳＯ＿２、ＣＯ＿２、ＮＨ＿３、ＣＯ、Ｎ＿２／Ｏ＿２、丙烯、丙烷、正己烷、环己烷、异己烷、苯、对位、间位与邻位二甲苯在结构完美的疏水硅沸石Ｓｉｌｉｃａｌｉｔｅ－１上的吸附等温线与脱附速率曲线，以及甲烷在不同温度下的吸附等温线。结果表明氟里昂－１２、ＳＯ＿２、ＣＯ＿２、ＮＨ３的吸附量随压力增加而加大，ＣＯ、Ｎ＿２／Ｏ＿２却基本上不为硅沸石吸附。硅沸石Ｓｉｌｉｃａｌｉｔｅ－１对饱和烃吸附的亲和性强于不饱和烃。它选择吸附分子尺寸小于０．６０ｎｍ的正己烷、环己烷、苯与对二甲苯，而不吸附分子尺寸大子０．６０ｎｍ的异己烷，间位及邻位二甲苯。     

内蒙古几种天然沸石的吸附性能和孔结构的研究

用ＮＨ＿４Ｃｌ对内蒙古５种天然沸石矿化学改性得Ｈ型矿样。用静态容量法测试这５种原矿及其Ｈ型矿样子７７Ｋ时Ｎ＿２吸附等温线。发现除吸附性能不同外，均有程度不同的低压脱附滞后效应。用严继民、张启元方法和Ｄ～Ｒ方程计算了比表面积、孔径分布、微孔体积和特征吸附能。结果发现，Ｎ＿２吸附性能、低压脱附滞后效应、特征吸附能都与它们的微孔结构密切相关。     

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。     

超高比表面积活性炭用于天然气吸附储存的研究

以超高比表面积活性炭为吸附剂,对天然气的吸附储存性能进行了研究。结果表明,超高比表面积活性炭具有较强的循环使用性能,经180次循环使用后,吸附储存天然气的能力仅下降9%左右。天然气的脱附量(V/mL)与脱附时间(t/s)之间满足函数关系:V=149.7Ln(t)-97.2,天然气脱附速率为:dV/dt=149.7/t;吸附压力P(MPa)与天然气脱附量增加百分率X(%)之间满足乘幂函数关系:X=C×P-n。     

页岩对甲烷的等温吸附特性研究

为了研究甲烷在页岩上的吸附特性,选取四川盆地下寒武统牛蹄塘组黑色页岩进行高温高压等温吸附实验,通过容积法测定了35、50、65℃下甲烷在黑色页岩上的吸附等温线,研究甲烷气体在页岩上的等温吸附行为。结果表明,甲烷在页岩上的吸附等温线具有Ⅰ型等温线特征,反映甲烷在页岩表面可能为单分子层吸附机理;采用Langmuir吸附模型很好地拟合了吸附数据,平均相对误差小于2.4%;根据吸附等温线计算的等量吸附热为12.74～17.47kJ/mol,平均为15.54kJ/mol,说明页岩对甲烷的吸附为物理吸附,且等量吸附热随甲烷吸附量的增大而降低,表明页岩表面能量分布具有不均匀性。     

活性炭吸附回收油气的研究

以活性炭为吸附剂吸附分离油气与氮气的混合气,采用氮吸附法表征活性炭的孔结构,分析活性炭孔隙结构、油气的进口浓度和吸附床层尺寸对吸附性能的影响,探讨真空度和脱附时间对脱附性能的影响。结果表明,活性炭对油气的吸附能力取决于其孔径为1～2nm孔的发达程度;虽然增大进口油气浓度可提高穿透吸附量,但是要以缩短穿透时间和较高的床层温升为代价;较大的床层尺寸可在提高穿透吸附量的同时保证较长的穿透时间和较低的床层温升;降低真空度、延长脱附时间有利于油气的脱附,但是在满足较高脱附率的同时要兼顾到操作费用的降低。     

轻烃在KL吸附剂上的吸附与脱附性能研究

本文研究了Ｃ５－Ｃ７正构烷和９３＃汽油在ＫＬ吸附剂上的吸附与脱附性能。结果表明：ＫＬ吸附剂地ｎＣ５－ｎＣ７和９３＃汽油的吸附容量和工作容量均优于一般的市售活性炭。它可望作为炼油厂、加油站和油田轻烃的吸附回收利用。     

甲烷在活性炭上的超临界温度吸附实验及理论分析

为研发ANG吸附剂,本文选择比表面积为2074m2.g-1的活性炭SAC-02,在温度区间263.15K～313.15K、压力范围0 MPa～8MPa,应用Setaram PCT Pro E&E测量甲烷在SAC-02活性炭上的吸附等温线,并由D-A方程、Clausius-Clapeyron方程和Virial方程标绘分析了实验数据。结果表明,当压力高于0.08MPa时,确定参数后的D-A方程预测实验数据的相对误差小于5%;甲烷在SAC-02活性炭上的等量吸附热反映了甲烷在能量非均匀表面吸附的特点,数值为13.99kJ.mol-1～17.57 kJ.mol-1,极限吸附热随温度呈线性变化,其平均值为19.43kJ.mol-1。     

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。     

高比表面积炭质吸附剂吸附性能评价方法的研究

采用热重天平和吸附剂评价装置测试了高比表面积炭质吸附剂对甲烷的吸附性能,论述了其影响因素和相关校正过程。测试结果表明,在相同的甲烷气体压力下,质量吸附量不随吸附剂质量变化而改变,压力越高,其误差越小,当压力为4 90MPa时,质量吸附量误差不足0 8%;体积吸附量的校正误差不超过1%。     

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,表明煤对甲烷吸附属于物理吸附;等量吸附热随吸附量的增加而单调缓慢增加是因为吸附甲烷分子之间存在的相互作用力起主导作用;利用303 K和313 K等量吸附热数据预测了318 K等温吸附特征,与实验室实测等温吸附数据对比发现二者趋势相同,2组煤样相对误差分别为2.26%~5.72%和0.29%~2.19%。研究为利用等量吸附热预测不同温压条件下等温吸附特征提供了新方法。     

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。     

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,逸度与压力的差值较小,随着温度降低和压力升高,逸度与压力的差值增加。②基于逸度与压力获得的等量吸附热曲线均具有明显的单调递增的线性特征,但采用压力-绝对吸附量获得的等量吸附热曲线斜率大于采用逸度-绝对吸附量获得的等量吸附热曲线,这表明基于压力-绝对吸附量获得的等量吸附热计算结果中吸附质分子间作用力的影响过大。③绝对吸附量为0.01~0.35 mmol/g,基于逸度-绝对吸附量与压力-绝对吸附量获得的等量吸附热的相对偏差为-86.54%~57.01%,页岩气吸附体系的热力学评价应当采用逸度-绝对吸附量数据作为等量吸附热计算的基础数据。     

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。     

考虑页岩多重吸附机制的超临界甲烷等温吸附模型

页岩中的超临界甲烷等温吸附模型研究对于页岩气藏储量评估、生产动态预测和开发方案编制等具有重要意义。以超临界甲烷等温吸附理论和分子动力学模拟结果为依据,考虑不同尺度空间中吸附机制差异,以Dubinin-Astakhov(DA)微孔充填模型表征微孔中的甲烷分子吸附,以Brunauer-Emmett-Teller(BET)多分子层吸附模型表征中孔和大孔中的甲烷分子吸附,建立了DA-BET超临界甲烷等温吸附模型。在此基础上,结合高温高压实验数据分析了模型拟合方法和拟合效果,讨论了不同吸附机制对页岩中超临界甲烷等温吸附的贡献。研究结果表明:DA-BET超临界甲烷等温吸附模型可以高精度地拟合实验数据,计算出的吸附特征曲线满足唯一性,并且可以利用该模型预测高温条件下页岩吸附甲烷的能力;在低压阶段,甲烷分子以微孔充填吸附为主;温度、压力显著影响不同吸附机制对总吸附量的贡献,温度越低、压力越高,微孔充填吸附量对总吸附量的贡献越小。