《活性炭的物理结构及吸附储氢的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《活性炭的物理结构及吸附储氢的研究（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、活性炭物理结构及吸附储氢的研究姓名：戚莉莉 学号：摘要 活性炭(AC)在煤层瓦斯气体吸附分离上具有良好的应用前景。选用4 种活性炭，利用 77K 氮气吸附表征了活性炭的物理性质。在自制的静态吸附装置上，测量了 4 种活性炭样品对瓦斯气(CH 4/N2混合气体)在 298K 和 318K 时的平衡吸附量，结果发现 4 种活性炭对 CH4/N2吸附能力有较大的差异。用 Langmuir吸附方程关联实验数据，计算出 4 种活性炭在不同温度下对 CH4/N2的分离因子。结合 4 种活性炭的物理性质以及其对 CH4/N2的吸附量，分析了影响活性炭对CH4/N2的吸附量的因素。活性炭在变压吸附分离浓缩瓦斯
2、时，应具备合适的孔径，比表面积和孔容越大越好。论述了活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管吸附储氢的研究历程，从实验、理论研究两个方面总结了前人的研究成果：活性炭在低温下有好的吸附储氢特性，但在室温条件下的结果却不令人满意，碳质吸附剂吸附储氢从理论到应用还有一段距离。关键词 变压吸附分离 活性炭 分离因子一、活性炭的概念1、活性炭的定义经过一定工艺处理的、内部孔隙发达的具有吸附分子级物质能力的含碳材料。活性炭属于碳质吸附剂的一种，一般是指普通性能的碳质吸附剂。碳质吸附剂是一种内部孔隙发达的人工含碳材料的总称。有时活性炭与碳质吸附剂在名称上不加明确区分。2、活性炭的孔隙活性炭巨大的吸附能力主要归功于其发达
3、的内部孔隙。正是由于内部孔隙的表面提供了吸附质被吸附的场所。所以，比表面积是活性炭的一项重要指标。活性炭的孔隙可分为：微孔（Micropore 50nm）其中微孔提供的比表面积占 95%以上，中孔比表面积一般小于 5%，大孔比表面积几乎可以忽略。二、活性炭的种类通过测定活性炭的比表面积、孔径分布等物理参数同时将这些参数与 cch的吸附量联系起来，以考察活性炭的微孔结构及其表面特性与 CO2 吸附能力之间的关系。采用 3 种商业产品的颗粒活性炭作为测定样品，分别用 AC1、AC2 和AC3 表示。测定仪器采用比表面和孔隙吸附测定仪 ONLNISORP 100cx(美国Coulter 公司)，比表
4、面积、孔径分布等参数是通过计算液氮温度下氮在活性炭上的吸附脱附等温线的测定数据得到。测量之前样品在 350 、高真空(10 -4Pa)下处理 4 h。整个测量过程自动进行，数据的采集和处理也全部由微机控制完成。测量结束后，可得任选相对压力范围内的 BET 比表面、MP 方法得到的微孔分布、Kelvin 方程和 BJH 方法得到的过渡孔容积和孔分布等。3、活性炭在污染防治中的应用 （1）被溶剂污染的空气的净化 家装污染物甲醛、苯等挥发性污染物的净化。（2）汽车内饰污染物的净化新购的汽车，由于大量使用塑料件和溶剂，能够挥发出有毒气体，通过活性炭吸附可以净化车内空气。（3）污水治理在印染、染料、化工
5、、生化、皮革以及造纸等行业，有大量难降解废水，通过活性炭处理可以得到深度净化，达到排放标准，甚至可以达到废水回用的目的。 四、活性炭在气体分离和净化中的应用 （1）空气分离制氮炭分子筛利用空气中氧分子和氮分子在炭分子筛孔隙中扩散动力学速度的差异，将氮气和氧气分离开。氧的扩散速度快，优先在炭分子筛上吸附，所以可以得到 99.9%的氮气。一般是利用变压吸附技术实现制氮操作的。（2）氢气的分离变压吸附炭氢气是有机合成中的重要原料，利用变压吸附技术，可以从许多含氢气源中分离回收和制备纯氢，如水煤气、焦炉煤气、合成氨弛放气均可作为含氢气源。（3）乙烯回收、CO2 制备 变压吸附炭乙烯回收、CO2 制备也
6、是通过变压吸附技术实现的。这在石油化工领域有广泛的应用。五、氢气在活性碳吸附剂上的吸附通常一切含碳 的物质，如煤 、重油、木材和其它含碳废料都可以加工成黑 碳，经活制成活性碳。活性碳的特点是吸附容量大，抗酸耐碱化学稳定性好，解吸容易，在较高温度下解吸再生其晶体结构没 有什么变化，热温度性高，经多次吸附和解吸操作，仍保持原有的吸附性能。最早关于氢气在高 比表面活性碳上吸附的报道出现 在 1967 年 (A .K idnay 和 M .H i za) 。该项工作主要是考虑低温环境下吸附 剂(由椰子壳制作的焦炭 )的吸附特性，并获得了 76K 温度下，压力为 90atm 的吸附等温线。此外，该文还报
7、道了在 25atm 下，76K 时出现的最大过剩 吸附量值，20.2gkg ,相当于 2.0 的重量密度。 C .C arpeti s 和 W .Peschka 是首先提出氢气能够在低温条件下在活性碳中吸附储存 的两位学者。他们在文献 中第一次提出可以考虑将低温吸附剂运用到大型氢气储存中，并提出氢气在活性碳 中吸附 储存的体积密度能够达到液氢 的体积密度。作者还对低温吸附储氢的技术可行性和经济可行性进行了研究 ,得到了 在温度为 78K 和 65K ，压力为 41.5atm 时 ，氢在多种活性碳上的吸附等温线 ，并得 到 相应的实验结果 ：在温度为 78K 和 65K 时,压力为 42bar
8、的条件下，氢气在 活性碳上 的吸附容量分别可以达到 68gkg 和 82gkg，如果等温膨胀 到 2bar，则可分别得到氢气 42gkg 和 52gkg。根据这些数据得到如下结论 ： 在活性碳上的低温吸附储存 比其它储存方法(如金属氢化物储存、压缩储存以及液氢储存)更有吸引力。 美国 Syracuse 大学 JA .Schw arz 领导的课题小组在 20 世纪 80 年代末 和 90 年代初在活性碳吸附储氢的研究领域内相当活跃。他们的工作主要集中 在活性 碳 吸附储 氢 的机 理研究上，目的是为了实现在较高温度下较好的吸附效果。以此为目标，该课 题小组作了活性碳表面处理的研究，并对吸附过程
9、中的热动力学特性进行了研究，以期望获得重要的参数,如等量吸附热等。尽管他们作出了很大 的努力 ，他们所得到的最好效果是在 87K 、59atm 条件下的吸附量为 48 3 J。此外，在文献 4 中， 作者还研究了活性碳 A X -31M 在温度 150K 、 160K 以及 165K 下的吸附特性。并根据所得的实验数据 ，将其与其它的几种储 氢方法作 了对比性研究。在文献中，作者研究了氢气中的气体杂质对活性碳吸附特性的影响，并得到结论：如果用超级活性碳作为吸附剂，氢气中浓度在 500ppm 范围内的氮气杂质引起 的氢气吸附量下降不超过 30 。 6、氢气在碳纳米材料中储存(1)氢气在碳纳米纤维
10、(CN Fs)中的吸附储存石墨纳米纤维是近年来为吸附储氢而开发 的一种材料，R odriguez 等有关“石墨纳米纤维有较高的氢吸附储存量” 的声明引发了人们对这种材料的兴趣 。这些材料是乙烯、 氢气以及一氧化碳的混合物在特定的金属或合金催化剂表面经高温 (700K 900K )分解而得，它包含有很多非常小的石墨薄片，薄片的宽度在 3 50nm 左右，这些薄片很有规律的堆积在一起，片间距离一般为 0 .34nm 。选择催化剂的不同，可以形成三种不同结构 的石墨纳米纤维 ：管状 、平板状以及鱼骨状，最后一种结构的纳米纤维被 证 明有 好 的吸附性 能 。1998 年， C ham bers 等描
11、述了他们在不同结构石 墨纳 米 纤 维 上 吸 附 储 氢 的新 发 现。在 1135M pa，298K 的条件下，鱼骨状纳米纤维、平板状纳米纤维以及石墨的氢吸附量分别为 ：6755w t，53 .68w t和 4 .52w t。后来 ，这个课题组又以更详细的论述证明了这个结论。1999 年，Fan 等也 报 道过 103w t 的吸附量 。这些值已经达到了美国能源部颁发的标准，但可惜的是，这个结果依旧没有被其它的人从理论上或实验上证明，对于纳米 纤维吸附储氢的计算机模拟也不能解释这个现象。在目前的计算机模拟中主要考虑的是氢的物理吸附储存，而 Wang 和 Johnson 证明，即使存在化学吸
12、附，也不可能实现这个吸附量 。 (2)氢气在碳纳米管中的吸附储存 在 1991 年,Iijima 第一次描述了一种新的碳材料，及碳纳米管 (C N T )。按照碳纳米管结构 的不同，可以把它们分为两种：单壁纳米管(SW N T )和多壁纳 米管 (M W N T )。石墨薄片卷起来，形成一圆柱状的管状物 ，即为单壁纳米管。它的内径 一般为 0.7nm 几个 纳 米 ，长度一般为 10100nm 。它们一般平行排列 ， 通 常 10 100 个纳米管堆积在一起，形成一个个管束，管间的距离一般为 0. 334nm。最近常用获得单壁纳米 管的方法是 电弧法 (N i 为催化剂)，但用这种方法获得的单
13、壁纳米管却常常含有多种形式的碳和金属颗粒杂质。目前有以下几种提纯的方法 ：硝酸处理、声波分解以及弱氧或中性条件下的高温处理 七、氢气在单壁碳纳米管中的吸附储存 对于常规 的物理吸附来说 ，只有当吸附剂孔径略大于其它分子 的直径时 ， 其吸附性 能才最好。在 这 种情况下，吸附势能在微孔空间内叠加，产生的吸 附力比平板吸附剂产生 的吸附力更大。如果气体分子的动能不足以克服吸 附剂 的吸附势能， 那么气体 分子就 要在吸附剂微孔空间内浓缩聚集 。一般来说，理想的吸附剂应该具有以下特征：1)微孔孔径一致， 所占比重大； 2)尽量少的大孔 ； 3)高的热导率 Ii jim aS 于 1993 年首先利
14、用电弧法制得了单壁碳纳米管，这种方法获得的单壁碳纳米管的纯度不是很高，里面包含有纳米级的金属催化剂颗粒 和大量 的不定型碳。D ill on 是首先发表碳纳米管吸附储氢试验数据的人，他们 的试验方法称为 T PD (T em perature Program m ed D esorpti on)他研究了单壁碳纳米管的氢吸附性能 ，尽管吸附剂中仅仅包含了 0.10 .2w t左右的单壁碳纳米管，但他们估计在环境件下，该吸附材料能吸附 510w t左右的氢，吸附热为 19.6kJmol。这就证明氢分子与碳纳米管的相互作用比与碳纳米纤维之间的相互作用强 ，平板型碳 纳米纤维的氢吸附热仅为 4kJm
15、ol。他们还认为，最大吸附储氢量的碳纳米管 的直径为 2nm，并且宣称在相同的体积和重量条件下，纳米管吸附储氢量能达到汽油燃料的标准。D illon 等描述了一种能打开碳纳米管两端封口的方法。据他们推测 ，经过处理之后的碳纳米管材料，吸附储氢量能达到 10w t。 后来人们利用激光法来制作碳纳米管，用这种方法获得的碳纳米管的纯度较高 ， 一 般在 2050w t左右。8、碳质吸附剂吸附储氢的计算机模拟当 D i ll on 等报道单壁碳纳米管吸附储氢的试验数据时，他们同时进行了一些简单的计算，指出充满直径为 2 .0nm 的碳纳米管，其氢吸附量将会达到 DOE的标准，其假设前提条件是碳纳米管的
16、比表面积接近于石墨比表面积的最大值 ，约为 2620mg。根据中子衍射研究的结果，氢气分子之间最近的距离为 0 .351nm，如果假设氢气分子和碳纳米管的最近距离为 0 .295nm ，那么充 满直 径为 2nm 的纳米管 ， 将会达到重量、体积、能量、密度分别为 51w t、54kgmg 的吸附储存量。后来 D ressel-haus 等依据相似的方法得到了类似的结果 。 伴随这一系列的试验研究，众多的理论研究也 致力于碳质材料吸附储氢的研究，这些理论通常包 括经典的分子模拟、量子分子模拟以及密度泛函理论。在早期的理论研究中，Stan 和 Cole 利用现象学相互作用势能研究了低覆盖率情况下氢气在碳纳 米管上的吸附动态研究，D arkrim 等利用蒙特卡罗数值模拟的方法研究了单壁碳纳米管的吸附储氢性能，他们得出结论，单壁碳纳米管能 比A X 一 21 活性 碳 多吸 附 15的氢气 (298K ，
