活性炭用來分離與吸附二氧化碳

　　活性炭氣體吸附是工業(yè)中用于分離和凈化目的的常用方法之一，例如空氣凈化、碳?xì)浠�合物處理以及捕獲和儲(chǔ)存。在氣候變化和全球變暖問題的推動(dòng)下，需要對(duì)二氧化碳的分離、凈化以及捕獲和儲(chǔ)存進(jìn)行研究。這些研究包括對(duì)使用活性炭吸附二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氮?dú)?N2)及其混合物。關(guān)于氣體混合物中吸附物優(yōu)先吸附的信息對(duì)于優(yōu)化活性炭捕獲、分離和凈化性能至關(guān)重要，這也是本次研究的意義所在。

　　吸附分離模擬系統(tǒng)

　　活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)是由隨機(jī)堆疊的微晶組成，碳堆之間的密閉空間趨于楔形。以前的研究還表明，楔形孔是表示活性炭不均勻性的更現(xiàn)實(shí)的模型。在這項(xiàng)工作中，評(píng)估了二元混合物在楔形孔中的吸附行為，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測值進(jìn)行了比較。本次使用的兩個(gè)模擬系統(tǒng)是均勻狹縫孔和楔形孔。相應(yīng)的示意圖如圖1所示。

　　圖1：兩個(gè)模擬系統(tǒng)的示意圖：(a)狹縫孔和(b)楔形孔。

　　狹縫孔由半有限狹縫孔由兩個(gè)平行的石墨壁組成。每個(gè)壁包含三個(gè)石墨烯層，如圖1(a)所示。框的虛線表示模擬框在y和z方向上的邊界。周期性邊界條件僅適用于x方向。兩個(gè)開口端與大塊氣藏相連，每個(gè)氣藏沿y軸的長度為3nm，孔隙寬度決定了z方向的尺寸。因此，通過孔內(nèi)分子與體相的相互作用，可以在孔和周圍環(huán)境之間保持機(jī)械平衡。孔徑H是指通過一個(gè)壁最內(nèi)層中碳原子中心的平面與相對(duì)壁的相應(yīng)平面之間的距離。楔形孔在圖1(b)描繪了一個(gè)開放的楔形孔及其結(jié)構(gòu)參數(shù)：小端(SH)和大端(BH)的孔徑，軸向孔長(L)和半角(α)。框的虛線表示模擬框在y和z方向上的邊界。與狹縫孔一樣，開口端周圍的氣體沿y軸的長度為3nm，大端的寬度決定了z方向的尺寸。沿軸向(即，y方向)的孔長度是有限的L，而在x方向上的尺寸在應(yīng)用周期性邊界條件的情況下假定為無限。

　　純氣體吸附

　　N2、CH4和CO2在活性炭上的吸附等溫線在T =25℃和高達(dá)6MPa的壓力下如圖2所示。為純氣體提供了I類等溫線。在環(huán)境溫度下，活性炭對(duì)二氧化碳的吸附優(yōu)先于CH4，然后在N2壓力范圍內(nèi)具有更高的吸附密度。楔形孔很好地預(yù)測了N2、CO2和CH4在25℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖2所示(b)。如圖2所示，狹縫孔的組合與CO2在25℃的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。模擬等溫線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示了連續(xù)的孔隙填充機(jī)制。如圖2所示，楔形孔對(duì)N2、CH4和CO2的吸附量少于狹縫孔。CH4和N2等溫線的行為類似于CO2等溫線的行為。由于與活性炭的相互作用較弱，CH4和N2的吸附量小于CO2。

　　圖2：純氣體N2、CH4和CO2在T=25℃時(shí)在活性炭上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。用狹縫和楔形孔中的吸附等溫線預(yù)測數(shù)據(jù)：(a)絕對(duì)壓力和(b)對(duì)數(shù)標(biāo)度的絕對(duì)壓力。

　　混合氣體吸附分離

　　對(duì)于二元吸附，壓力范圍為93kPa至6.077MPa。氣體混合物的實(shí)驗(yàn)在T =25℃和壓力下，吸附量與氣體組成的函數(shù)關(guān)系如圖3所示。25℃的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示了活性炭的吸附量。然后在狹縫孔、楔形孔之間比較結(jié)果。可以對(duì)活性炭進(jìn)行類似的討論。總吸附量隨CO2組成而增加，同時(shí)吸附CH4的量減少，這意味著CO2的吸附位競爭和優(yōu)先吸附CH4。CO2具有比CH4更高的沸點(diǎn)，并且更可能表現(xiàn)為可冷凝水蒸氣，而CH4表現(xiàn)為超臨界氣體。與CH4相比，CO2的這種較小的揮發(fā)性增加了其對(duì)活性炭的吸附偏好。

　　圖3：混合氣體在T=25℃在狹縫孔、楔形孔中的吸附等溫線 和理想吸附在93kPa至6.077MPa的壓力范圍內(nèi)的預(yù)測值，以及從它們的混合物中吸附的CO2和CH4。

　　活性炭模擬吸附細(xì)節(jié)

　　活性炭在吸附模擬細(xì)節(jié)中發(fā)現(xiàn)，溫度升高會(huì)導(dǎo)致選擇性降低。然而，選擇性隨著氣體混合物中二氧化碳的部分負(fù)載、壓力和CO2摩爾分?jǐn)?shù)的增加而增加。在活性炭上的大部分CO2負(fù)載下可以清楚地看到高選擇性。CH4氣體在含有CO2的氣體混合物中具有低選擇性。原因是它在活性炭表面的分子間作用力比碳表面與CO2之間的分子間作用力弱分子。用模型計(jì)算和狹縫和楔形孔中的分子模擬也預(yù)測了選擇性。如圖4所示，在T=0和25℃，壓力高達(dá)1MPa時(shí)的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。一般來說，狹縫和楔形孔可以在吸附分子之間相互作用至關(guān)重要的條件下，對(duì)氣體混合物的選擇性進(jìn)行令人滿意的預(yù)測。模型無法預(yù)測選擇性，因?yàn)樗鼪]有考慮吸附分子之間的相互作用。

　　圖4：在T =(a)0℃和(b)25℃時(shí)，在大約20%的二氧化碳在活性炭孔隙呢，CO2對(duì)CH4的選擇性與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　活性炭用來分離與吸附二氧化碳，使用模擬純CO2、CH4、N2及其二元混合物的吸附等溫線，同時(shí)考慮均勻狹縫孔和楔形孔模型，以模擬真實(shí)的活性炭。使用所選活性炭的0和25℃的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估，并與以前的方法預(yù)測進(jìn)行了比較。這項(xiàng)工作討論了對(duì)活性吸附位點(diǎn)的競爭以及由于更高的親和力，CO2相對(duì)于CH4的優(yōu)先吸附。活性炭表示對(duì)CO2比CH4有更高的吸附量和選擇性，狹縫和楔形孔中的分子模擬可以很好地預(yù)測選擇性。

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