用于分離CH4-N2炭分子篩的評(píng)價(jià)方法研究.pdf

1、炭分子篩(CMS)是一種新型炭質(zhì)吸附劑，具有接近被吸附分子直徑的楔形極微孔。從微觀角度看，CMS由一些非常小的類(lèi)石墨微晶組成。在這些小微晶中，碳原子呈三角形鍵接，微晶本身呈交聯(lián)狀。CMS中的微孔由相鄰的微晶底面所產(chǎn)生，因此呈狹縫型。與活性炭相比，炭分子篩的孔徑分布均勻，能夠分離立體結(jié)構(gòu)大小有差異的分子。CMS微孔特征介于沸石分子篩與活性炭之間?？兹?、孔徑與孔徑分布是影響CMS吸附性能最重要的參數(shù)，分離效果較好的CMS應(yīng)具有較大的微孔孔容

2、與均勻狹窄的微孔孔徑，尤其是對(duì)孔徑的要求比較嚴(yán)格。CMS的吸附性能很大程度上取決于其微結(jié)構(gòu)，而CMS的微結(jié)構(gòu)主要包括微孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)、表面形態(tài)及孔隙形貌等幾個(gè)方面，這些參數(shù)為CMS吸附性能的表征、制備及CMS吸附機(jī)理的研究提供了重要的數(shù)據(jù)信息。
　　本論文選用5種炭分子篩樣品，1＃樣品是國(guó)外某知名炭分子篩，2#、3#、4#和5#樣品是由太西高純無(wú)煙煤制備而成。本文采用氮吸附脫附法對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征與分析，計(jì)算出樣品的比表面積

3、、孔容、平均孔徑及孔徑分布等，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，利用這種方法并不能很準(zhǔn)確的表征炭分子篩的孔隙結(jié)構(gòu)，樣品的許多超微孔未能被表征出來(lái)。用掃描電鏡觀察炭分子篩樣品的表面形貌，可看出炭分子篩的孔為狹縫型。通過(guò)X射線(xiàn)衍射來(lái)表征炭分子篩樣品的骨架結(jié)構(gòu)，得出其結(jié)構(gòu)依然是由典型的石墨碎晶片結(jié)合而成，但其層間距、堆積方式發(fā)生一定的變化，形成微孔分布獨(dú)特的骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)X-射線(xiàn)光電子能譜對(duì)炭分子篩樣品的表面元素組成和化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)樣品表面存在著一

4、些醇、羧酸、酚、醌類(lèi)等含氧官能團(tuán)、離域π電子以及含氮官能團(tuán)。并用酸堿滴定測(cè)定和分析炭分子篩樣品的表面酸性含氧官能團(tuán)。
　　研究吸附劑的平衡吸附選擇性可以判斷是否可以利用其平衡吸附效應(yīng)來(lái)分離混合氣體。方法是測(cè)試各氣體在碳分子篩樣品上的吸附等溫線(xiàn)，由此計(jì)算氣體之間的分離系數(shù)。本論文使用煤炭科學(xué)研究總院煤化工分院工程所研制的吸附劑高壓評(píng)價(jià)裝置，進(jìn)行了N2、CH4、O2、CO2和H2在炭分子篩樣品上的吸附試驗(yàn)，并用Lagmuir吸附方程對(duì)

5、五個(gè)炭分子篩樣品對(duì)各氣體的吸附數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合。結(jié)果表明炭分子篩樣品對(duì)CO2的吸附量最大，其次為CH4、N2和O2，H2幾乎沒(méi)有吸附量。用Lagmuir吸附方程對(duì)五個(gè)炭分子篩樣品對(duì)N2和CO2的吸附數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，N2和CO2擬合出的相關(guān)系數(shù)均在0.97以上;用Lagmuir吸附方程對(duì)五個(gè)炭分子篩樣品對(duì)CH4的吸附數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，CH4擬合出的相關(guān)系數(shù)，2#和4#樣品擬合的都大于0.97，3#樣品的相關(guān)系數(shù)則只有0.848，1#樣品

6、的CH4等溫吸附線(xiàn)則完全不能與Lagmuir吸附方程擬合。
　　炭分子篩應(yīng)用于變壓吸附氣體分離大都基于其動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，通常也被稱(chēng)作是速率分離型的吸附劑。本論文使用高壓熱重分析儀器，進(jìn)行了N2和CH4在四個(gè)炭分子篩樣品上的吸附實(shí)驗(yàn)，得到了N2和CH4純組分在四個(gè)炭分子篩樣品上的吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，并采用Fick擴(kuò)散模型對(duì)N2和CH4在四個(gè)炭分子篩樣品上的吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明吸附初期，N2在炭分子篩樣品上的擴(kuò)散速率明顯大于CH4，