活性炭孔结构特征对二氧化碳吸脱附性能影响关系研究

摘要

我国是活性炭生产和出口第一大国，但是我国的尖端活性炭制备技术依然落后于美国、日本等国家，比如变压吸附精制氢气用活性炭产品主要依赖进口，国内同类活性炭的主要缺点是吸附容量小、使用周期短。本论文通过对市场上常见的变压吸附精制氢气用煤质活性炭和椰壳活性炭进行表征，研究其孔径结构和表面化学性质与CO2吸附及解吸性能的关系，然后研究了不同活化介质对活化反应的影响机理，摸索更适用于制备吸附CO2活性炭产品的工艺方法，用硝酸、过氧化氢和过硫酸铵等催化剂对活性炭产品进行改性处理，并且通过多次循环吸附、解吸CO2来考察活性炭的吸脱附性能。主要内容及研究成果归纳如下:
　　 1、明确了活性炭微结构与吸附及解吸CO2的关系。研究市售的煤质及椰壳活性炭在常压动态吸附装置中对CO2的吸附及解吸性能。通过CO2和N2的吸附等温线表征活性炭的孔隙结构，用红外光谱和Boehm滴定法表征活性炭的表面化学性质。结果表明:微孔孔容的大小是决定活性炭对CO2吸附性能好坏的关键因素，其中0.5～1.0 nm的微孔对CO2吸附能力的影响较大，同时2.0～4.5 nm的中孔也对CO2吸附有积极的贡献。活性炭表面官能团中羧基和羟基对CO2的吸附有明显的促进作用，而羰基不利于解吸。循环吸附时，解吸率较大、孔径分布较宽时，吸附容量减少较缓慢。
　　 2、明确了活化介质对活性炭微结构及CO2吸附性能的影响。以煤质炭化料为原料，分别以水蒸气和CO2为活化介质制备出微孔结构发达的活性炭。利用N2吸附等温线、碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、CO2吸附容量和解吸率、扫描电子显微镜(SEM)对其进行表征。结果表明:H900,3和C900，3制备活性炭的孔径均以0.5～1.0 nm的微孔为主，其中C900，3制备活性炭0.5～1.0 nm范围的微孔含量要比H900,3多10％以上。同时H900,3制备活性炭的中孔分布范围为2.0～3.0 nm，C900,3的中孔分布范围为2.0～2.5 nm。在同等实验条件下，水蒸气活化制备活性炭的孔径分布更广，亚甲基蓝吸附值、碘吸附值及CO2解吸率更高，但是CO2法制备出的活性炭对CO2的吸附容量更大，循环吸附时，CO2法制备活性炭的吸附容量损失更小。
　　 3、制备了CO2吸附专用活性炭。以CO2为活化介质，煤质炭化料和椰壳为原料，制备CO2吸附用活性炭，并且通过硝酸、过氧化氢、过硫酸铵改性，研究其对CO2的吸附性能及循环吸脱附性能的影响。结果表明:活化温度为900℃，活化时间为3h，CO2流量为3 L/min时，煤质活性炭和椰壳活性炭对CO2的吸附容量最佳，分别是52.23和68.25 mL/g。活性炭的微孔比较发达，其中椰壳活性炭的BET比表面积、总孔容、微孔孔容、0.5～1 nm的极微孔的孔容以及微孔率均比煤质活性炭要大，孔径主要集中在0.5～2nm。煤质活性炭的孔径主要集中在0.5～2.5nm。硝酸改性使活性炭对CO2的吸附容量减少，过氧化氢改性和过硫酸铵改性均使CO2的吸附容量增加，其中过氧化铵使活性炭改性后CO2的吸附容量增加更多一些，但改性后活性炭的循环吸附性能下降均远大于未改性前。
　　 4、对活性炭吸附CO2进行了动力学研究。考察不同温度时煤质活性炭和椰壳活性炭对CO2的扩散系数和动力学方程拟合情况，结果表明:CO2在活性炭内的扩散系数随着温度的升高而增大，并且扩散系数介于表面扩散和Kundsen扩散之间。活性炭对CO2的吸附容量拟合结果更符合Bangham动力学方程，通过Bangham方程计算得到的CO2吸附容量与实验测定的吸附容量比较接近。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的和意义

1．1．3 项目来源与经费支持

1．2 二氧化碳吸附分离的方法

1．2．1 二氧化碳的性质

1．2．2 二氧化碳的分离方法

1．2．3 变压吸附法分离CO2的应用

1．3 活性炭对二氧化碳的吸附研究进展

1．3．1 吸附二氧化碳用活性炭制备

1．3．2 活性炭的孔结构对吸附二氧化碳的影响

1．3．3 活性炭表面化学结构对吸附二氧化碳的影响

1．3．4 活性炭负载有机胺对吸附二氧化碳的影响

1．3．5 活性炭对混合气中的二氧化碳的分离

1．4 研究目标及主要研究内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 主要研究内容

1．5 研究的技术路线

1．6 论文创新点

第二章 活性炭微结构与吸附及解吸二氧化碳的关系研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验仪器与设备

2．2．3 活性炭的表征

2．2．4 二氧化碳的吸附容量及解吸率的测定

2．3 结果与讨论

2．3．1 二氧化碳的吸附等温线

2．3．2 孔结构参数对吸附性能的影响

2．3．3 表面官能团对吸附二氧化碳的影响

2．3．4 活性炭对二氧化碳吸附与解吸性能

2．4 小结

第三章 活化介质对活性炭微结构及二氧化碳吸附性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料与仪器

3．2．2 活性炭的制备

3．2．3 分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 活化工艺对活性炭的孔结构影响

3．3．2 活性炭吸附性能

3．3．3 活性炭的循环吸附性能

3．3．4 活性炭的红外分析

3．3．5 活性炭的微观形貌

3．4 小结

第四章 制备工艺对活性炭吸附二氧化碳的性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料、试剂与仪器

4．2．2 活性炭的制备

4．2．3 分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 活化温度对二氧化碳吸附容量的影响

4．3．2 活化时间对二氧化碳吸附容量的影响

4．3．3 流量对二氧化碳吸附容量的影响

4．3．4 活性炭孔结构特征

4．3．5 活性炭的扫描电镜分析

4．3．6 活性炭的改性

4．3．7 活性炭的循环吸附性能

4．4 小结

第五章 活性炭吸附二氧化碳的动力学研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 原料和试剂

5．2．2 样品表征

5．2．3 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 二氧化碳流量对吸附性能的影响

5．3．2 温度对二氧化碳吸附性能的影响

5．3．3 CO2的扩散系数

5．3．4 二氧化碳的吸附动力学研究

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 讨论

6．3 展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢