炭分子篩吸液驅(qū)氣過程研究.pdf

1、多孔材料作為一種性能優(yōu)越的功能結(jié)構(gòu)材料，最大的特點是具有大量的孔隙結(jié)構(gòu)，表征該孔隙結(jié)構(gòu)是進(jìn)行多孔材料研究和應(yīng)用的重要內(nèi)容之一。最成熟的方法，即77K N2吸附法，由于低溫條件下N2分子的擴散受限問題而不能用于表征微孔結(jié)構(gòu)，因此尋找一種新方法準(zhǔn)確表征多孔材料微孔結(jié)構(gòu)性能具有重要的意義。
　　炭分子篩屬于孔隙結(jié)構(gòu)為雙峰孔徑分布的炭材料，主要包含起通道作用的大孔和孔口呈分子尺寸、孔徑分布狹窄均一的超微孔，廣泛應(yīng)用于動力學(xué)選擇性分離氣體混

2、合物，最常用于分離O2和N2。而在炭分子篩生產(chǎn)工藝中，至今無法實現(xiàn)原位控制超微孔孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)反應(yīng)的終點，需要在反應(yīng)中途將設(shè)備?；稹⒔禍夭⑷舆M(jìn)行變壓吸附空分實驗來判斷該樣品孔結(jié)構(gòu)是否符合空分要求，不符合則需要反復(fù)升溫降溫、取樣檢測，這樣嚴(yán)重降低產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本和能耗。
　　本文借鑒吸液驅(qū)氣法和常溫氣體吸附法的主要思想，自主設(shè)計、搭建恒容吸液驅(qū)氣裝置，在常溫常壓條件下分別進(jìn)行炭分子篩吸水驅(qū)O2和N2實驗。借助準(zhǔn)二級動力學(xué)(

3、PSO)模型、直線推動力(LDF)模型及費克(Fick)定律對吸水驅(qū)氣動力學(xué)曲線進(jìn)行模擬，探究吸水驅(qū)氣動力學(xué)機制，進(jìn)而有效判斷炭分子篩的微孔孔口尺寸相對大小和分布均勻性，建立一種簡單、快速的原位檢測炭分子篩孔結(jié)構(gòu)和空分性能的方法，用于指導(dǎo)空分用炭分子篩的制備。
　　通過對炭分子篩微結(jié)構(gòu)的表征，發(fā)現(xiàn)其孔隙結(jié)構(gòu)特性對吸水驅(qū)氣動力學(xué)和熱力學(xué)性能起著決定性作用。吸液驅(qū)氣動力學(xué)模擬結(jié)果表明，根據(jù)速率控制步驟的不同，炭分子篩吸水驅(qū)氣過程可以劃

4、分為兩大階段。在反應(yīng)前期，該過程主要發(fā)生在孔口較窄的超微孔中，驅(qū)氣速率主要受氣體分子孔口擴散阻力控制;在反應(yīng)后期，水分子逐漸進(jìn)入孔口較大的超微孔中，水分子表面吸附成為主要的速率控制過程。隨著超微孔孔口尺寸的增加，孔口擴散阻力越來越小，第二階段持續(xù)時間越來越長;同時，氣體分子尺寸的差異導(dǎo)致其受到的孔口擴散阻力不同，對應(yīng)的吸水驅(qū)氣動力學(xué)不同。因此，炭分子篩吸水驅(qū)氣動力學(xué)主要取決于超微孔孔口尺寸和氣體分子尺寸的相對大小。接著，在動力學(xué)研究的基