柔性多孔碳布的制备及其气体吸附分离性能研究

作     者：高雅茹 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王燕;李瑶;韩东战

授予年度：2022年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：煤层气 柔性多孔碳布 氮掺杂 CO2/CH4吸附分离 甲醇吸附 变压吸附 

摘      要：煤层气的主要成分甲烷是一种高效的清洁能源,也是造成煤矿瓦斯灾害的根源,同时还是引起气候变暖的主要温室气体之一。实现煤层气中甲烷的有效分离不仅能够优化我国能源结构,减少煤矿安全事故,还有助于“双碳目标的实现。本研究以常见的粘胶纤维织物为碳源,采用物理活化和化学活化的方式制备柔性多孔碳布,通过控制活化条件来调控碳布的表面化学性质、孔道结构,探索优化的活化工艺,制备出性能优异的柔性多孔碳布。主要研究内容如下:1.以粘胶纤维织物为碳源、CO为活化剂,经简便的一步碳化-活化过程,在温度的调控下(700-900℃)制备了柔性多孔碳布。实验表明CO物理活化法是制备柔性多孔碳布的一种有效方式,活化后的碳布中除保留了自身的一部分氮原子外,还产生了大量微孔,形成类石墨微晶结构。CO活化粘胶纤维织物的最佳条件为800℃、1 h,由此得到的P-FCC-800拥有最佳的孔隙结构和吸附选择性。P-FCC-800的超微孔体积最大为0.29 cm/g,氮含量为5.88 wt%,CO吸附量最高为3.13 mmol/g,通过理想溶液吸附理论(IAST)计算P-FCC-800的二元混合气体CO/CH的选择性系数,混合比例为30/70、40/60、50/50时系数都最高,分别为:3.29、2.74、2.35,这归因于其优异的超微孔结构和理想的氮含量间的协同作用。2.以粘胶纤维织物为碳源、KOH为活化剂,通过对KOH浸泡浓度、活化温度的调控,制备出K-FCC-x-y系列柔性多孔碳布。KOH化学活化法是一种高效制备柔性多孔碳布的方式,活化后的碳布仍具有一定的柔韧性和机械强度,活化粘胶纤维织物的最佳条件为:KOH浸泡浓度为240 g/l、700℃活化1 h,由此得到的柔性多孔碳布的吸附分离能力最优,且较为经济。柔性多孔碳布的选择性不是某单一因素作用的结果,而是受微孔、超微孔、氮含量的共同影响。虽然K-FCC-240-700的孔隙结构与氮含量并不是表现最优异的,但根据IAST理论,计算1 bar时二元混合气体CO/CH的选择性,混合比例为30/70、40/60、50/50时,其选择性系数分别为:3.73、3.13、2.67,是同系列所有碳布中选择性最优异的。25℃、1 bar时,K-FCC-240-700的CO吸附量(3.877 mmol/g)远远高于N(0.468mmol/g),利用亨利定律和IAST理论计算CO/N的选择性分别为21.2和19.1。3.本研究选择了两种较为常见的活化剂CO和KOH制备多孔碳布,综合比较两种活化剂对碳布孔隙结构、化学组成、气体吸附分离的影响。对比性能优异的样品可以发现:KOH化学活化较CO物理活化制备的多孔碳布具有更加优异的孔隙结构,K-FCC-240-700的微孔与超微孔体积较P-FCC-800分别提升了45.6%和24.5%。KOH活化对碳布的氮含量影响较大,K-FCC-240-700氮含量较P-FCC-800降低了25.7%,但前者的CO吸附性能提升了24%,可见常温常压下多孔碳布的CO吸附能力受孔结构的影响较大。根据亨利定律,计算起始压力下CO/CH选择性,K-FCC-240-700较P-FCC-800的选择性提升了53.2%;通过IAST计算二元混合气体CO/CH在1 bar压力下选择性,在体积比为30/70、40/60和50/50时,分别提升了13.4%、14.2%、13.6%。此外,K-FCC-240-700较大的比表面积与总孔体积使其甲醇吸附性能提升了18.4%。