用于分离CH4/N2炭分子筛的评价方法研究

摘要

炭分子筛(CMS)是一种新型炭质吸附剂，具有接近被吸附分子直径的楔形极微孔。从微观角度看，CMS由一些非常小的类石墨微晶组成。在这些小微晶中，碳原子呈三角形键接，微晶本身呈交联状。CMS中的微孔由相邻的微晶底面所产生，因此呈狭缝型。与活性炭相比，炭分子筛的孔径分布均匀，能够分离立体结构大小有差异的分子。CMS微孔特征介于沸石分子筛与活性炭之间。孔容、孔径与孔径分布是影响CMS吸附性能最重要的参数，分离效果较好的CMS应具有较大的微孔孔容与均匀狭窄的微孔孔径，尤其是对孔径的要求比较严格。CMS的吸附性能很大程度上取决于其微结构，而CMS的微结构主要包括微孔结构、表面化学性质、表面形态及孔隙形貌等几个方面，这些参数为CMS吸附性能的表征、制备及CMS吸附机理的研究提供了重要的数据信息。
　　本论文选用5种炭分子筛样品，1＃样品是国外某知名炭分子筛，2#、3#、4#和5#样品是由太西高纯无烟煤制备而成。本文采用氮吸附脱附法对孔隙结构进行表征与分析，计算出样品的比表面积、孔容、平均孔径及孔径分布等，实验数据表明，利用这种方法并不能很准确的表征炭分子筛的孔隙结构，样品的许多超微孔未能被表征出来。用扫描电镜观察炭分子筛样品的表面形貌，可看出炭分子筛的孔为狭缝型。通过X射线衍射来表征炭分子筛样品的骨架结构，得出其结构依然是由典型的石墨碎晶片结合而成，但其层间距、堆积方式发生一定的变化，形成微孔分布独特的骨架网络结构。通过X-射线光电子能谱对炭分子筛样品的表面元素组成和化学状态进行了表征，发现样品表面存在着一些醇、羧酸、酚、醌类等含氧官能团、离域π电子以及含氮官能团。并用酸碱滴定测定和分析炭分子筛样品的表面酸性含氧官能团。
　　研究吸附剂的平衡吸附选择性可以判断是否可以利用其平衡吸附效应来分离混合气体。方法是测试各气体在碳分子筛样品上的吸附等温线，由此计算气体之间的分离系数。本论文使用煤炭科学研究总院煤化工分院工程所研制的吸附剂高压评价装置，进行了N2、CH4、O2、CO2和H2在炭分子筛样品上的吸附试验，并用Lagmuir吸附方程对五个炭分子筛样品对各气体的吸附数据分别进行拟合。结果表明炭分子筛样品对CO2的吸附量最大，其次为CH4、N2和O2，H2几乎没有吸附量。用Lagmuir吸附方程对五个炭分子筛样品对N2和CO2的吸附数据分别进行拟合，N2和CO2拟合出的相关系数均在0.97以上;用Lagmuir吸附方程对五个炭分子筛样品对CH4的吸附数据分别进行拟合，CH4拟合出的相关系数，2#和4#样品拟合的都大于0.97，3#样品的相关系数则只有0.848，1#样品的CH4等温吸附线则完全不能与Lagmuir吸附方程拟合。
　　炭分子筛应用于变压吸附气体分离大都基于其动力学效应，通常也被称作是速率分离型的吸附剂。本论文使用高压热重分析仪器，进行了N2和CH4在四个炭分子筛样品上的吸附实验，得到了N2和CH4纯组分在四个炭分子筛样品上的吸附动力学数据，并采用Fick扩散模型对N2和CH4在四个炭分子筛样品上的吸附实验数据进行模拟。结果表明吸附初期，N2在炭分子筛样品上的扩散速率明显大于CH4，吸附剂表现出对N2的优先吸附性;随着时间的进行，吸附接近平衡，CH4的吸附量大于N2的吸附量。值得注意的是:在1#炭分子筛样品上CH4扩散过程很慢，实验数据还未达到平衡，故可以利用吸附速率差能够有效的将N2/CH4分离，而比较2#、3#和4#炭分子筛样品，只有4#样品较好。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 选题的背景、目的及意义

1．2 论文主要研究手段

第二章 文献综述

2．1 研究现状

2．1．1 炭分子筛

2．1．2 炭分子筛的孔隙结构及解析技术

2．1．3 炭分子筛的表面化学性质

2．1．4 炭分子筛的吸附理论

2．7 本章小结

第三章 样品CMS的孔隙结构及表面性质的研究

3．1 实验样品的来源

3．2 样品孔隙结构的实验研究

3．3 炭分子筛表面化学性质分析

3．3．1 骨架结构—XRD表征

3．3．2 X-射线光电子能谱(XPS)表征

3．3．3 酸碱滴定

3．3 炭分子筛表面形貌分析

3．4 本章小结

第四章 炭分子筛对不同气体吸附能力的研究

4．1 实验样品

4．2 实验仪器

4．3 实验方法及步骤

4．3．1 实验方法

4．3．2 实验步骤

4．4 实验数据处理方法

4．4．1 吸附等温线

4．4．2 吸附等温式模型分析

4．8 本章小结

第五章 吸附动力学研究

5．1 实验样品

5．2 实验仪器

5．3 实验方法及步骤

5．3．1 实验方法

5．3．2 实验步骤

5．4 实验数据处理方法

5．4．1 吸附动力学数据分析

5．4．2 扩散模型分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．1．1 样品孔结构及表面性质的表征

6．1．2 CO2、N2、CH4、O2和H2在炭分子筛样品上的吸附等温线

6．1．3 N2和CH4在四种炭分子筛样品上的吸附动力学

6．1．4 评价体系的建立

6．2 主要创新点

6．3 今后工作建议

参考文献

作者简介及发表学术论文

致谢