活性炭用來分離與吸附二氧化碳

　　活(huo)(huo)性炭氣體(ti)吸(xi)(xi)附是工業中用于(yu)分(fen)(fen)離(li)和(he)(he)(he)凈(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)目的(de)的(de)常用方法(fa)之一，例如空氣凈(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)、碳氫(qing)化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)處理以(yi)(yi)及捕獲(huo)和(he)(he)(he)儲存。在(zai)氣候(hou)變化(hua)(hua)(hua)(hua)和(he)(he)(he)全球變暖問題的(de)推動(dong)下，需要(yao)(yao)對(dui)二(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳的(de)分(fen)(fen)離(li)、凈(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)以(yi)(yi)及捕獲(huo)和(he)(he)(he)儲存進(jin)行研(yan)究。這些研(yan)究包括對(dui)使用活(huo)(huo)性炭吸(xi)(xi)附二(er)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(CO2)、甲烷(CH4)、氮(dan)氣(N2)及其混合(he)物(wu)(wu)。關于(yu)氣體(ti)混合(he)物(wu)(wu)中吸(xi)(xi)附物(wu)(wu)優(you)先吸(xi)(xi)附的(de)信息對(dui)于(yu)優(you)化(hua)(hua)(hua)(hua)活(huo)(huo)性炭捕獲(huo)、分(fen)(fen)離(li)和(he)(he)(he)凈(jing)化(hua)(hua)(hua)(hua)性能至關重(zhong)要(yao)(yao)，這也(ye)是本次研(yan)究的(de)意義所在(zai)。

　　吸附分離模擬系統

　　活性炭(tan)的孔隙結構是(shi)(shi)由隨(sui)機堆(dui)(dui)疊的微晶組成，碳堆(dui)(dui)之間的密閉空間趨(qu)于(yu)楔(xie)形。以前的研究還表(biao)明，楔(xie)形孔是(shi)(shi)表(biao)示活性炭(tan)不均(jun)勻性的更現(xian)實的模(mo)(mo)型。在這(zhe)項工作(zuo)中，評估(gu)了(le)二(er)元混合物在楔(xie)形孔中的吸附行為，并與實驗數據(ju)和預測值進(jin)行了(le)比較。本次使用的兩個(ge)模(mo)(mo)擬系統是(shi)(shi)均(jun)勻狹(xia)縫孔和楔(xie)形孔。相(xiang)應的示意圖如圖1所示。

　　圖1：兩個模擬(ni)系(xi)統(tong)的示(shi)意圖：(a)狹縫孔(kong)和(b)楔形孔(kong)。

　　狹(xia)縫孔由半(ban)有限狹(xia)縫孔由兩個(ge)(ge)平行的(de)(de)(de)(de)石墨壁組成(cheng)。每個(ge)(ge)壁包含三個(ge)(ge)石墨烯(xi)層(ceng)，如(ru)圖(tu)1(a)所示。框(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)(de)虛(xu)線(xian)表(biao)示模擬框(kuang)(kuang)在(zai)(zai)y和z方(fang)向(xiang)(xiang)上的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)。周(zhou)(zhou)期性邊(bian)界(jie)條件(jian)僅適用(yong)(yong)于(yu)x方(fang)向(xiang)(xiang)。兩個(ge)(ge)開口端與(yu)(yu)大塊(kuai)氣藏相(xiang)(xiang)連，每個(ge)(ge)氣藏沿(yan)y軸的(de)(de)(de)(de)長(chang)度為(wei)(wei)3nm，孔隙寬(kuan)度決定(ding)了(le)(le)z方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)。因此(ci)，通過(guo)(guo)孔內(nei)分(fen)子(zi)與(yu)(yu)體相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)互作用(yong)(yong)，可以在(zai)(zai)孔和周(zhou)(zhou)圍(wei)環境之間保持機(ji)械平衡。孔徑(jing)H是(shi)(shi)指(zhi)通過(guo)(guo)一(yi)(yi)個(ge)(ge)壁最(zui)內(nei)層(ceng)中碳原子(zi)中心的(de)(de)(de)(de)平面與(yu)(yu)相(xiang)(xiang)對壁的(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)應(ying)平面之間的(de)(de)(de)(de)距離(li)。楔形(xing)孔在(zai)(zai)圖(tu)1(b)描(miao)繪了(le)(le)一(yi)(yi)個(ge)(ge)開放的(de)(de)(de)(de)楔形(xing)孔及其結構參數：小端(SH)和大端(BH)的(de)(de)(de)(de)孔徑(jing)，軸向(xiang)(xiang)孔長(chang)(L)和半(ban)角(α)。框(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)(de)虛(xu)線(xian)表(biao)示模擬框(kuang)(kuang)在(zai)(zai)y和z方(fang)向(xiang)(xiang)上的(de)(de)(de)(de)邊(bian)界(jie)。與(yu)(yu)狹(xia)縫孔一(yi)(yi)樣(yang)，開口端周(zhou)(zhou)圍(wei)的(de)(de)(de)(de)氣體沿(yan)y軸的(de)(de)(de)(de)長(chang)度為(wei)(wei)3nm，大端的(de)(de)(de)(de)寬(kuan)度決定(ding)了(le)(le)z方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)。沿(yan)軸向(xiang)(xiang)(即(ji)，y方(fang)向(xiang)(xiang))的(de)(de)(de)(de)孔長(chang)度是(shi)(shi)有限的(de)(de)(de)(de)L，而(er)在(zai)(zai)x方(fang)向(xiang)(xiang)上的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)在(zai)(zai)應(ying)用(yong)(yong)周(zhou)(zhou)期性邊(bian)界(jie)條件(jian)的(de)(de)(de)(de)情況下假定(ding)為(wei)(wei)無(wu)限。

　　純氣體吸附

　　N2、CH4和(he)(he)CO2在活性(xing)(xing)炭上的(de)(de)(de)(de)吸附(fu)等(deng)(deng)溫(wen)(wen)線在T =25℃和(he)(he)高達(da)6MPa的(de)(de)(de)(de)壓力下如(ru)(ru)圖(tu)2所示(shi)。為(wei)純氣體提供了(le)(le)I類等(deng)(deng)溫(wen)(wen)線。在環境溫(wen)(wen)度下，活性(xing)(xing)炭對二氧化碳的(de)(de)(de)(de)吸附(fu)優(you)先于CH4，然后在N2壓力范圍內具有更高的(de)(de)(de)(de)吸附(fu)密(mi)度。楔(xie)形(xing)孔很(hen)好地(di)預測了(le)(le)N2、CO2和(he)(he)CH4在25℃時(shi)的(de)(de)(de)(de)實驗(yan)數據，如(ru)(ru)圖(tu)2所示(shi)(b)。如(ru)(ru)圖(tu)2所示(shi)，狹縫(feng)孔的(de)(de)(de)(de)組合(he)(he)與CO2在25℃的(de)(de)(de)(de)實驗(yan)數據非(fei)常吻合(he)(he)。模擬等(deng)(deng)溫(wen)(wen)線和(he)(he)實驗(yan)數據顯示(shi)了(le)(le)連續的(de)(de)(de)(de)孔隙填充機(ji)制。如(ru)(ru)圖(tu)2所示(shi)，楔(xie)形(xing)孔對N2、CH4和(he)(he)CO2的(de)(de)(de)(de)吸附(fu)量少于狹縫(feng)孔。CH4和(he)(he)N2等(deng)(deng)溫(wen)(wen)線的(de)(de)(de)(de)行(xing)為(wei)類似(si)于CO2等(deng)(deng)溫(wen)(wen)線的(de)(de)(de)(de)行(xing)為(wei)。由(you)于與活性(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)(de)相互作用較弱，CH4和(he)(he)N2的(de)(de)(de)(de)吸附(fu)量小(xiao)于CO2。

　　圖2：純氣體N2、CH4和CO2在T=25℃時在活(huo)性炭上(shang)的(de)(de)實驗數(shu)據(ju)。用(yong)狹縫和楔形孔中的(de)(de)吸附等溫線(xian)預測數(shu)據(ju)：(a)絕(jue)對(dui)壓(ya)力和(b)對(dui)數(shu)標度的(de)(de)絕(jue)對(dui)壓(ya)力。

　　混合氣體吸附分離

　　對(dui)(dui)于二元吸附，壓力范圍為93kPa至6.077MPa。氣體(ti)混合物的(de)(de)實驗(yan)在T =25℃和壓力下(xia)，吸附量(liang)(liang)與(yu)氣體(ti)組成的(de)(de)函數關系如圖(tu)3所示(shi)。25℃的(de)(de)實驗(yan)數據(ju)顯示(shi)了(le)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)吸附量(liang)(liang)。然后在狹(xia)縫孔、楔形孔之間比(bi)較(jiao)結果(guo)。可以對(dui)(dui)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)進行類(lei)似的(de)(de)討論(lun)。總吸附量(liang)(liang)隨CO2組成而增(zeng)加，同時吸附CH4的(de)(de)量(liang)(liang)減(jian)少，這(zhe)意味著CO2的(de)(de)吸附位競爭和優(you)先吸附CH4。CO2具有比(bi)CH4更高的(de)(de)沸點，并且更可能表現為可冷(leng)凝水蒸氣，而CH4表現為超臨界氣體(ti)。與(yu)CH4相比(bi)，CO2的(de)(de)這(zhe)種較(jiao)小的(de)(de)揮發性(xing)增(zeng)加了(le)其(qi)對(dui)(dui)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)吸附偏好。

　　圖3：混(hun)合氣體(ti)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(zhi)6.077MPa的壓力范圍內的預測值，以(yi)及從(cong)它(ta)們的混(hun)合物中吸附的CO2和CH4。

　　活性炭模擬吸附細節

　　活(huo)性(xing)炭在(zai)(zai)吸附(fu)(fu)模擬細節中發現(xian)，溫(wen)度(du)升高(gao)會導(dao)致選(xuan)擇(ze)性(xing)降低。然而，選(xuan)擇(ze)性(xing)隨著氣(qi)體(ti)混(hun)(hun)合(he)(he)物中二氧化碳的(de)部(bu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)負(fu)載、壓力和(he)(he)CO2摩(mo)爾分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)數的(de)增加(jia)而增加(jia)。在(zai)(zai)活(huo)性(xing)炭上的(de)大部(bu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)CO2負(fu)載下可以清楚地看到高(gao)選(xuan)擇(ze)性(xing)。CH4氣(qi)體(ti)在(zai)(zai)含有(you)CO2的(de)氣(qi)體(ti)混(hun)(hun)合(he)(he)物中具有(you)低選(xuan)擇(ze)性(xing)。原因是(shi)它(ta)在(zai)(zai)活(huo)性(xing)炭表(biao)面的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)間(jian)(jian)(jian)作(zuo)用(yong)力比(bi)碳表(biao)面與(yu)CO2之(zhi)間(jian)(jian)(jian)的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)間(jian)(jian)(jian)作(zuo)用(yong)力弱分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)。用(yong)模型(xing)計(ji)(ji)算(suan)和(he)(he)狹(xia)縫(feng)和(he)(he)楔形孔中的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)模擬也(ye)預(yu)(yu)測(ce)了(le)選(xuan)擇(ze)性(xing)。如圖4所(suo)示，在(zai)(zai)T=0和(he)(he)25℃，壓力高(gao)達1MPa時(shi)的(de)計(ji)(ji)算(suan)結果(guo)和(he)(he)實驗數據。一般來說(shuo)，狹(xia)縫(feng)和(he)(he)楔形孔可以在(zai)(zai)吸附(fu)(fu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)相互作(zuo)用(yong)至關(guan)重(zhong)要的(de)條件下，對氣(qi)體(ti)混(hun)(hun)合(he)(he)物的(de)選(xuan)擇(ze)性(xing)進(jin)行令人滿意的(de)預(yu)(yu)測(ce)。模型(xing)無法預(yu)(yu)測(ce)選(xuan)擇(ze)性(xing)，因為它(ta)沒(mei)有(you)考慮吸附(fu)(fu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)子(zi)之(zhi)間(jian)(jian)(jian)的(de)相互作(zuo)用(yong)。

　　圖(tu)4：在(zai)(zai)T =(a)0℃和(he)(b)25℃時(shi)，在(zai)(zai)大(da)約20%的二氧化碳在(zai)(zai)活性炭(tan)孔隙(xi)呢，CO2對CH4的選擇性與(yu)實驗(yan)數據。

　　活(huo)性(xing)炭用(yong)來分(fen)離(li)與吸附(fu)二氧化碳，使用(yong)模(mo)(mo)擬純CO2、CH4、N2及其二元(yuan)混合物的(de)吸附(fu)等溫線，同時考慮均勻狹縫孔和(he)楔(xie)(xie)形孔模(mo)(mo)型，以模(mo)(mo)擬真實(shi)的(de)活(huo)性(xing)炭。使用(yong)所選活(huo)性(xing)炭的(de)0和(he)25℃的(de)實(shi)驗(yan)數據對(dui)模(mo)(mo)擬結果進(jin)行了(le)評估，并與以前的(de)方法預測進(jin)行了(le)比(bi)(bi)較。這(zhe)項工作(zuo)討論了(le)對(dui)活(huo)性(xing)吸附(fu)位點(dian)的(de)競爭(zheng)以及由于更(geng)高(gao)的(de)親和(he)力，CO2相對(dui)于CH4的(de)優先(xian)吸附(fu)。活(huo)性(xing)炭表示(shi)對(dui)CO2比(bi)(bi)CH4有更(geng)高(gao)的(de)吸附(fu)量和(he)選擇性(xing)，狹縫和(he)楔(xie)(xie)形孔中的(de)分(fen)子(zi)模(mo)(mo)擬可以很(hen)好地(di)預測選擇性(xing)。

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