用于CH4/N2分離的高效活性炭制備及其吸附平衡和動力學研究

楊 林, 楊 穎, 劉程琳, 李 平, 于建國

(華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室,上海 200237)

用于CH4/N2分離的高效活性炭制備及其吸附平衡和動力學研究

楊 林, 楊 穎, 劉程琳, 李 平, 于建國

(華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室,上海 200237)

以椰殼為活性炭原材料,通過高溫炭化、對KOH活化條件進行優化,制備出高比表面積活性炭,并采用CO2二次活化提高微孔材料對CH4/N2的吸附選擇性,研制出高效吸附分離CH4/N2的椰殼活性炭。采用磁懸浮熱天平測量了303～363 K、0～1 000 kPa下CH4和N2在所制備的高效椰殼活性炭上的吸附等溫線,采用Toth模型對吸附平衡數據進行擬合,獲得模型參數和吸附熱等動力學參數。建立等溫、無動量損失的雙分散二級孔結構擴散模型,采用稀釋穿透曲線法研究了CH4和N2在此高效椰殼活性炭上的吸附動力學。最后,通過固定床吸附分離CH4/N2的實驗,研究了椰殼活性炭動態吸附分離CH4/N2機理,為優化設計CH4/N2吸附分離過程提供基礎理論依據。

椰殼基活性炭; CH4/N2分離; 吸附平衡; 吸附動力學; 非常規天然氣

天然氣作為一種清潔、高效的能源,近幾十年來需求量日益增加[1]。非常規天然氣的來源主要包括:煤層氣、垃圾填埋氣、沼氣等。這些來源氣通常都含有甲烷、烴類、氮氣、二氧化碳、二氧化硫、水蒸氣等。要充分利用這些非常規天然氣發電或者作為化工原料時,甲烷的分離和提純過程是必不可少的[2]。CH4和N2的動力學直徑相近,且物化性質相似,是分離提純的重點和難點。

變壓吸附法由于其低成本、高效率、操作簡單等優點成為氣體分離濃縮中最常用的技術[3]。吸附劑的性能對變壓吸附過程起著至關重要的作用。目前用于吸附分離CH4/N2的吸附劑主要包括沸石材料、金屬有機骨架材料、硅鋁分子篩、碳分子篩和活性炭等。沸石材料吸附量較低,金屬有機骨架材料制備成本高,這些限制了它們的工業應用。碳分子篩是基于動力學機理吸附分離甲烷和氮氣的,它適用于高濃度(CH4摩爾分數高于70%)的CH4和N2混合氣的濃縮。另外,煤層氣等富含水蒸氣,會影響硅鋁分子篩等吸附劑的吸附性能?；钚蕴坑捎诰哂懈弑缺砻娣e(1000m2/g以上)、疏水性、低廉的成本和可調的孔徑分布,使其成為非常具有前景的吸附劑。

活性炭可以采用棉桿[4-5]、椰殼[6-7]、種殼[8-9]或其他廉價易得、可循環再生的生物質材料,經過高溫活化,如水蒸氣活化、KOH活化、CO2活化等,制備高比表面積的微孔吸附材料。椰殼在我國南方地區資源豐富,成本低,固定碳含量高,結構致密多孔,是用來制備活性炭的優質材料。

本文以椰殼為原料,提供了一種簡單、低成本的方法來制備用于CH4/N2分離的、具有高吸附量和良好選擇性的顆粒狀活性炭。先通過優化KOH活化條件,制備出高比表面積的活性炭。再通過CO2二次活化對其進行孔徑調控提高活性炭對CH4/N2競爭吸附選擇性。最后測量、模擬了CH4和N2在制備的椰殼活性炭的吸附平衡和吸附動力學。并基于平衡分離對CH4和N2的床層動力學進行了研究,為后續的工藝設計和模擬提供了基本數據。

1 實驗部分

1.1材料與氣體

本實驗所用的破碎椰殼購于海南省文昌縣,破碎篩選至450～900 μm,并用去離子水清洗烘干。試劑氫氧化鉀為分析純,購于國藥集團化學試劑有限公司。所用氣體由上海加杰氣體公司提供,CH4、N2、CO2、He的純度分別高于99.99%、99.995%、99.998%、99.999%。

1.2椰殼活性炭的制備方法

以椰殼為活性炭原材料,經高溫炭化、KOH活化以及CO2二次活化制備高效椰殼活性炭,主要制備步驟如下:

(1) 高溫炭化。取一定量的預處理好的顆粒狀椰殼放在弧形剛玉舟中,并置于水平管式爐(德國Nabertherm公司)中部。先向管式爐內通入N25 min,然后開啟程序,讓管式爐以3 K/min的升溫速率由室溫升至1 073 K,保溫2 h后冷卻至室溫。整個過程管式爐都在N2氛圍中。

(2) KOH活化。將炭化料與KOH按照一定質量比混合,置于聚四氟乙烯燒杯中,并加入適量的去離子水,在408 K溫度下攪拌直至混合物成泥漿狀。然后將混合物置于管式爐內,在N2氛圍中,以5 K/min的升溫速率升至所需溫度?；罨Y束后,將混合物用熱的去離子水和0.1 mol/L稀鹽酸反復沖洗過濾,直至濾液的pH接近7。最后將活性炭顆粒烘干、篩分,用于接下來的實驗。

(3) CO2二次活化。對優化實驗條件下得到的高比表面積活性炭進行CO2二次活化。將活性炭置于水平管式爐的中央,在流量為300 cm3/min的N2氛圍中,以5 K/min的升溫速率升溫至923 K,然后將N2切換至相同流量的CO2,反應6 h。最后再切回N2氛圍,冷卻至室溫,得到活性炭(GAC)。

1.3分析與表征

1.3.1 工業組分及元素組成分析 用紅外快速煤質分析儀(5E-MACⅢ,長沙開元公司)、元素分析儀(Vario MACRO,德國Elementar公司)對椰殼原料和椰殼炭化料進行工業分析、元素分析。

1.3.2 比表面積及孔結構分析 用靜態容積分析儀(ASAP2020M,美國Micrometrics Instrument公司)測量N2在77 K,相對壓力為1×10-6～1下的吸附、脫附曲線。測量前,樣品需在523 K真空條件下脫氣12 h。樣品的比表面積(SBET)由Brunauer-Emmett-Teller (BET)理論計算得到;微孔孔容(Vmic)和孔徑分布分別由t-plot法和HK法確定。

1.3.3 表觀形貌觀察 將樣品均勻涂布在導電膠上,噴金,由掃描電子顯微鏡(QUANTA 250,美國 FEI 公司)在高真空下觀察表面形貌。測試電壓為12.50 kV,放大倍數為5 000倍。

1.4CH4/N2吸附等溫線的測定

CH4和N2在GAC上的吸附等溫線用磁懸浮熱天平(德國Rubotherm公司)測定。關于磁懸浮熱天平裝置的描述和浮力校正已在我們課題組之前發表的文章中報道過[10-11]。先將GAC在423 K下真空活化10 h以除去吸附劑中的水蒸氣,后續測量過程中吸附劑僅通過抽真空來脫氣。CH4和N2純組分的吸附等溫線在303、333、363 K下測量,壓力為0～1 000 kPa。

1.5CH4/N2的吸附/解吸曲線及稀釋穿透曲線

CH4和N2在椰殼活性炭上的競爭吸附選擇性是通過吸附穿透曲線實驗得到的,實驗裝置如圖1所示。關于實驗裝置的具體描述見文獻[12]。詳細的實驗條件和參數列于表1。在開始測量前,吸附柱里面的吸附劑在423 K、氦氣吹掃下,活化10 h。實驗采用質譜儀(HPR20 QIC,英國Hiden公司)分析吸附柱頂端流出氣體的組成,并實時記錄。通過六通閥位置A和B兩種狀態的切換來進行測量。

競爭吸附選擇性αCH4/N2由式(1)計算得到:

(1)

CH4和N2在GAC上的吸附動力學由稀釋穿透曲線實驗研究。實驗裝置與穿透曲線實驗裝置一致,但進料氣換為CH4或N2摩爾分數為1%的CH4/He或N2/He混合氣。測量了壓力為101 kPa,溫度為303、318、333 K下GAC的孔擴散系數。

MFC—Mass flow controller 圖1 稀釋與穿透曲線實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus for diluted and breakthrough curves表1 穿透曲線實驗條件及吸附柱參數Table 1 Experimental conditions for breakthrough curves and parameters of adsorprtion column

Columnlength/cmColumndiameter/cmT/KTotalpressure/kPaFlowrate/(cm3·min-1)He1)He2)CH42)N22)19.81.05303101.33100502525

1) Line 1;2)Line 2

2 結果與討論

2.1高效椰殼活性炭的制備與表征

本文以450～900 μm的顆粒狀椰殼為活性炭原材料,經高溫炭化得到炭化料,然后基于KOH活化的單因素實驗和響應曲面實驗對實驗條件進行優化,確定了最佳的活化條件,在活化溫度為1 110.23 K、活化時間為0.96 h、堿料質量比為2.92時,制得SBET=1 792.23 m2/g,αCH4/N2=3.57 (303 K,pCH4=pN2=25 kPa)的椰殼基活性炭(簡寫為GACKOH)。

本實驗所選用的椰殼原料和椰殼炭化料的元素組成及工業分析結果列于表2。由表2可知,椰殼炭化料的碳元素質量分數高達89.19 %,固定碳質量分數(92.15 %)遠遠高于灰分(1.52 %),是制備活性炭吸附劑的優良原料。

表2 椰殼原料和炭化料元素組成及工業分析Table 2 Elemental and proximate analysis results of coconut shell raw materials and carbonized materials

用于CH4/N2分離的良好吸附材料,不僅要有高的CH4吸附量,良好的CH4/N2選擇性也是必不可少的。因為所有的活性炭樣品都是通過KOH活化的方式制得,所以活性炭表面具有相似的官能團。具有相同表面官能團的吸附劑優先吸附那些吸附勢能大、動力學直徑小的氣體?；钚蕴课絼H4/N2的最大吸附勢能取決于其孔徑分布[13],因此,我們通過對已經制得的GACKOH在923 K的溫和條件下進行CO2二次活化來調節活性炭的孔徑分布,從而制得高CH4/N2競爭選擇性的活性炭GAC。

圖2示出了制備優化的活性炭(GACKOH)的孔徑分布、CO2二次活化處理過的活性炭(GAC)孔徑分布及其低溫氮吸附-脫附圖。由圖2可以看出,CO2處理過的活性炭的孔徑分布出現了明顯的右移,孔徑分布更加集中在0.65～0.85 nm,αCH4/N2也由3.57提高到4.32 (由式(1)求得)?？梢缘贸隹讖椒植荚?.65～0.85 nm的活性炭對CH4/N2有更好的選擇性,這與文獻報道結果相符[14-15]。GAC的低溫氮吸附-脫附曲線屬于Ⅰ型(IUPA)等溫線,說明CH4/N2在GAC上的吸附為微孔吸附。處理前后兩種活性炭的詳細結構參數列在表3中。從表3可以看出由于CO2的擴孔作用,處理過的活性炭孔徑變大,相應的SBET有所減少,由1 792.23 m2/g變為1 450.87 m2/g;Vmic也相應減少,由0.66 cm3/g降為0.49 cm3/g;活性炭對CH4的吸附量在低壓處(25 kPa)卻基本沒有減少。

圖3(a)和3(b)分別為椰殼炭化料和GAC的掃描電鏡圖。從圖3可以看出在炭化料表面沒有可見孔的分布,只有不規則的裂隙和凹面,炭化料的比表面積為29.71 m2/g,也表明椰殼炭化料幾乎沒有孔隙存在。從圖3(b)可以清晰地看到GAC表面均勻分布的大孔,適宜數量和分布的大孔和中孔給活性炭內部大量的微孔提供了傳質通道,有利于吸附傳質。

圖2 GACKOH與GAC孔徑分布圖(a)及GAC低溫氮吸附-脫附曲線(b)Fig.2 Pore size distributions of GACKOH and GAC (a) and N2 adsorption-desorption isotherms on GAC (b)表3 GACKOH和GAC的物性參數Table 3 Physical properties of GACKOH and GAC

AdsorbentPelletdiameter/μmSBET/(m2·g-1)Totalporevolume/(cm3·g-1)Vmic/(cm3·g-1)Averageporevolume/(cm3·g-1)Medianporewidth/nmGACKOH400～9001792.230.740.661.640.76GAC400～9001450.870.590.491.630.78

圖3 椰殼炭化料和GAC的掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of coconut shell carbonization sample and GAC

2.2CH4/N2在GAC上的吸附平衡及等量吸附熱

圖4所示為0～1 000 kPa,303、333、363 K下CH4和N2在制備的GAC上的吸附等溫線,圖中點代表測量數據,實線代表Toth模型[16]擬合結果。Toth模型表達式如下:

(2)

(3)

從圖4可以看出,Toth模型可以較好地擬合實驗數據,模型擬合的參數列于表4。由于活性炭對CH4/N2的吸附是放熱過程,所以不論是CH4還是N2,隨著吸附溫度的降低,其平衡吸附量逐漸升高。同時,從圖4可以看出,隨著吸附壓力的增加,CH4/N2的平衡吸附量也逐漸增加,在低壓處增加較快,而后增加速度逐漸趨于緩慢。在相同的溫度和壓力下,CH4的平衡吸附量均明顯高于N2。

圖4 CH4和N2在GAC上的吸附等溫線Fig.4 Adsorption equilibrium isotherms of CH4 and N2 on GAC表4 CH4和N2在GAC上吸附平衡的Toth模型擬合參數Table 4 Fitting parameters of Toth model for CH4 and N2 adsorption isotherms on GAC

GasK0,i/(kPa-1)-ΔHi/(kJ·mol-1)qm,i/(mol·kg-1)niCH41.26×10-619.2610.310.62N21.77×10-615.725.960.82

CH4和N2在GAC上的等量吸附熱如圖5所示,其中點是由van’t Hoff方程[17]根據吸附平衡數據計算所得,實線由Toth模型擬合得到。從圖5可以看出,吸附熱隨著吸附量的增大逐漸減少,直到趨于定值,表明顆粒狀椰殼基活性炭具有非均勻表面。同時,在Toth模型中,參數ni用于描述吸附劑界面的非均勻性,ni比1越小,表明吸附劑表面的非均勻性越強[17]。在本實驗擬合中,ni值分別為0.62和0.82,均小于1,表明GAC表面具有非均勻性。并且較高的CH4吸附熱也表明CH4與GAC的吸附作用更強。

圖5 CH4和N2在GAC上的等量吸附熱Fig.5 Isosteric heat of adsorption for CH4 and N2 adsorption on GAC

2.3CH4/N2在GAC上的擴散系數

CH4和N2在吸附劑顆粒上的擴散系數由稀釋穿透曲線實驗測定。實驗時,采用低摩爾分數(1%)的吸附質氣體(CH4和N2)保證吸附平衡是線性的(吸附處于亨利區),吸附熱很小,近似為等溫過程。同時,極小的吸附質可以假設氣體沿吸附柱速度不變,僅存在軸向擴散的活塞流?；谝陨霞僭O,采用等溫無動量損失的雙分散二級孔結構擴散模型(Bi-pore Diffusion Model)[18]描述CH4和N2的吸附動力學,模型的相關關系式見式(4)～式(13)。其中,活性炭吸附劑的孔曲折因子為4.0,孔隙率為0.46。

對吸附質組分i進行物料衡算:

(4)

初始條件Ci(0,z)=0;

邊界條件

對組分i在吸附劑顆粒內進行物料衡算:

(5)

初始條件Cip(0,R)=0;

邊界條件

對組分i在吸附劑晶體微孔中進行物料衡算:

(6)

初始條件q(0,r)=0;

邊界條件

Dax=(0.45+0.55εc)Dm+0.35Rpu

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

Dij可由Chapman-Enskoy方程[19]求得:

(12)

(13)

CH4和N2在303、318、333 K下的稀釋穿透曲線如圖6所示,圖中點代表實驗數據,線代表擬合值,兩者吻合較好。從圖6可以直觀地看出,隨著填充床吸附溫度的升高,CH4和N2稀釋穿透曲線的穿透點不斷前移,且從穿透到飽和的時間越來越短。說明隨著溫度的逐漸升高,傳質越來越快,傳質效果也越來越好。在相同的條件下,N2在GAC上的擴散速度大于CH4。

圖6 CH4和N2在GAC填充的床層上的稀釋穿透曲線Fig.6 Diluted breakthrough curves of CH4 and N2 in GAC packed bed

CH4和N2在GAC上的各個擴散系數如表5所示,在相同溫度下,N2的Dc/r2值比CH4高一個數量級。圖7描述了不同溫度下Dc/r2值與溫度呈現出的一定指數關系,據此關系可以計算其指前因子和Ea,由此可以計算出任何溫度下CH4和N2在GAC上的擴散系數。

表5 CH4和N2在GAC填充床層上的擴散系數Table 5 Mass transfer parameters for CH4 and N2 on the GAC packed bed

圖7 CH4和N2在GAC上微孔擴散系數與溫度的關系Fig.7 Temperature dependence of micropore diffusivity of CH4 and N2 on GAC

線性吸附平衡條件下,文獻[20]提出了一個包括所有阻力影響的總傳質系數k′來分析各個擴散系數的相對重要性,表達式見式(14):

(14)

式(14)等號右邊的每一項代表不同擴散阻力,從左到右依次為軸向擴散阻力、外膜擴散阻力、大孔擴散阻力和微孔擴散阻力。根據表5中的數據,可以計算外膜擴散阻力、大孔擴散阻力及微孔擴散阻力對GAC顆粒內傳質的貢獻,結果列于表6。從表6可以看出,CH4和N2在GAC上的微孔擴散阻力貢獻最大,所以微孔擴散是CH4和N2在GAC上擴散的控制步驟。

表6 外膜擴散阻力、大孔擴散阻力及微孔擴散阻力在GAC顆粒內的相對比例Table 6 Relative proportion of the film mass transfer resistance,macropore diffusion resistance and micropore diffusion resistance for CH4 and N2 on GAC

2.4椰殼活性炭填充床動態吸附分離CH4/N2

CH4和N2均為非極性氣體,其物化性質相似,且CH4動力學直徑(0.38 nm)接近N2動力學直徑(0.364 nm)。盡管活性炭對CH4的吸附優于N2(平衡效應),但是活性炭在選擇性吸附CH4時,其微孔孔道位阻效應高于N2(動力學效應),導致其在分離CH4與N2時兩種效應部分相抵,降低了分離效果。本文制備的高效椰殼活性炭GAC材料也是如此,從圖4看出,在相同壓力和溫度下,CH4的平衡吸附量明顯高于N2平衡吸附量。吸附動力學實驗發現N2在GAC的微孔內擴散速度大于CH4,如圖6所示。

圖8所示為303 K、總壓101.325 kPa、CH4和N2分壓均為25 kPa下,CH4和N2在GAC床層上的單組分和雙組分穿透和解吸曲線。從曲線可以看出,CH4作為強吸附組分,在相同條件下,其穿透時間明顯比N2滯后,通過穿透曲線的積分計算可以求出CH4和N2單組分在303 K、25 kPa下的吸附量,計算值與磁懸浮熱天平測量值一致。此外,通過曲線計算的CH4和N2吸附、解吸的量相同,說明吸附過程是一個可逆過程。從圖8(c)所示的CH4和N2雙組分競爭穿透解吸曲線結果可以看出,采用研制的GAC填充固定床,CH4和N2主要是通過平衡效應進行分離,弱吸附組分N2出現“鼓包”現象。這是因為在吸附過程中CH4作為強吸附

組分會把之前GAC吸附的弱吸附組分N2替換出來,導致弱吸附組分N2在吸附床層的摩爾分數高于進料摩爾分數。通過CH4/N2摩爾流量的積分計算可以求得αCH4/N2為4.32。同時,根據圖4所示CH4和N2在303 K下的吸附平衡數據,可以估算出相同分壓下CH4和N2的平衡選擇系數α12,即為303 K下CH4和N2的純組分平衡吸附量之比(α12=qCH4/qN2)。圖9示出了CH4和N2的平衡分離系數和競爭吸附選擇性隨壓力的變化。如圖9所示,隨著壓力的升高,α12逐漸降低。在低壓區,GAC的α12較高。圖9中圓點為303 K、25 kPa下CH4和N2在GAC上的αCH4/N2,可以看出在相同的低壓下,αCH4/N2接近α12,說明平衡分離效應遠大于動力學分離效應,所以,CH4/N2在椰殼活性炭填充床吸附分離屬于平衡分離效應。

圖8 CH4和N2在GAC床層上吸附穿透曲線Fig.8 Breakthrough curves of CH4 and N2 in column packed with GAC

表7比較了CH4和N2在不同炭基吸附劑上的吸附平衡。從表7可以看出,在溫度為298 K左右,壓力為100 kPa左右時,不同的炭基材料對CH4和N2的吸附量及平衡選擇性呈現出一定的差異。其中,本實驗所制得的椰殼活性炭GAC具有最高的CH4吸附量,為1.46 mol/kg;其次為Monolith活性炭,CH4吸附量為1.30 mol/kg。對于CH4和N2的平衡選擇系數,顆?；钚蕴縅X-101最大,柱狀活性炭Xtrusorb A754最小?；|、官能團、孔徑分布和比表面積的差異是造成炭基材料對CH4和N2分離效果差異的主要因素。本實驗制備的高吸附量的炭基材料非常有利于CH4/N2變壓吸附分離過程。

圖9 CH4和N2的平衡分離系數和競爭吸附選擇性隨壓力的變化Fig.9 Changes of equilibrium separation factors and competitive adsorption selectivity of CH4/N2 with pressure

3 結 論

將椰殼炭化料進行KOH活化和CO2二次活化,可以得到高CH4吸附量、高CH4/N2選擇性的椰殼顆粒狀活性炭GAC。制備的椰殼基活性炭CH4吸附量達到1.46 mol/kg (303 K,101 kPa),CH4/N2競爭吸附選擇性達到4.32 (303 K,pCH4=pN2=25 kPa),明顯高于其他文獻報道的活性炭吸附分離性能。Toth模型可以較好地預測CH4和N2在GAC上的吸附平衡數據,CH4是強吸附組分,N2是弱吸附組分。CH4和N2在GAC上的擴散控制步驟為微孔擴散,且N2在GAC的微孔內擴散速度大于CH4的擴散速度。

表7 CH4和N2在不同炭基材料上吸附性能比較Table 7 Comparison of adsorption properties of CH4 and N2 on different carbon adsorbents

椰殼活性炭填充床中雙組分CH4/N2競爭吸附穿透曲線顯示N2優先穿透并出現“鼓包”,表明CH4的吸附能力強于N2,結合動力學數據可知,CH4和N2在吸附劑上的擴散速度較快,可以判斷,CH4的吸附能力強于N2,主要由于平衡吸附量不同造成,因此CH4/N2混合物在椰殼活性炭填充床吸附分離屬于平衡分離效應。

符號說明：

Ci——組分i在氣相中的濃度,mol/m3

C(i)0——組分i進料濃度,mol/m3

Cip——組分i在大孔中的氣相濃度,mol/m3

Dax——軸向擴散系數,m2/s

Dc——微孔擴散系數,m2/s

Dij——雙組分的分子擴散系數,m2/s

Dk,i——Knudsen擴散系數,m2/s

Dm,i——分子擴散系數,m2/s

Dp——大孔擴散系數,m2/s

Ea——活化能,kJ/mol

H——亨利系數,m3/kg

KC——量綱為一的亨利吸附平衡常數

Ki——組分i的吸附平衡常數,kPa-1

K0,i——組分i的無限溫度吸附平衡常數,kPa-1

kf——膜擴散系數,m2/s

L——吸附柱長度,m

Mi——組分i的相對分子質量,g/mol

ni——界面非均勻參數

p——吸附實驗壓力,kPa

pCH4——CH4氣體的分壓,kPa

pN2——N2氣體的分壓,kPa

q——CH4(N2)平衡吸附量,mol/kg

qs——對應的平衡吸附量,mol/kg

qCH4——CH4在吸附相的競爭吸附量,mol/kg

qN2——N2在吸附相的競爭吸附量,mol/kg

qi——組分i的平衡吸附量,mol/kg

qm,i——組分i的飽和吸附量,mol/kg

Rg——理想氣體常數,J/(mol·K)

R——吸附劑顆粒半徑,m

r——微孔半徑,m

rp——大孔平均半徑,m

S——顆粒的形狀因子

T——吸附實驗溫度,K

t——時間,s

u——表觀流速,m/s

yi——氣相中組分i的摩爾分數

z——軸向坐標,m

αCH4/N2——CH4/N2的競爭吸附選擇性

ρp——吸附劑的顆粒密度,kg/m3

ρg——氣體密度,kg/m3

ΔHi——組分i的吸附熱,kJ/mol

α——CH4/N2平衡選擇系數

μ——氣體黏度,Pa·s

εc——床層空隙率

εp——吸附劑顆粒的孔隙率

τp——孔曲折率

Ωc——微孔線性推動力系數

Ωp——大孔線性推動力系數

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PreparationofHighEfficientCoconutActivatedCarbonandItsAdsorptionEquilibriaandKineticsofCH4/N2

YANGLin,YANGYing,LIUCheng-lin,LIPing,YUJian-guo

(StateKeyLaboratoryofChemicalEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

Coconut activated carbon with high specific surface area was prepared through carbonization of raw coconut shell and KOH activation under optimum conditions.The adsorption selectivity of CH4/N2was improved with CO2activation in order to prepare the high efficient coconut activated carbon for the separation of CH4/N2.The adsorption equilibrium isotherms of CH4and N2on the high efficient coconut activated carbon were measured at303—363K and0—1000kPa in a magnetic suspension balance.The experimental data were fitted with Toth model,and the model parameters and kinetic ones such as adsorption heat were obtained.Both the isothermal bidisperse pore model and the diluted breakthrough curve experiment were used to study the adsorption kinetics of CH4and N2on the high efficient coconut activated carbon.Furthermore,the fixed-bed adsorption and desorption experiments were carried out to study the separation mechanism of CH4/N2using the coconut activated carbon.The results presented here would be significant for the development and optimization of pressure swing adsorption process for CH4/N2effective separation using the high efficient coconut activated carbon.

coconut activated carbon; CH4/N2separation; adsorption equilibrium; adsorption kinetics; unconventional natural gases

1006-3080(2017)04-0449-10

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.04.001

2016-12-16

國家國際合作項目(2015DFG42220,S2016G1410);國家自然科學基金(U1610102)

楊 林(1991-),男,山東煙臺人,碩士生,研究方向為吸附分離。

于建國,E-mail:jgyu@ecust.edu.cn

TQ021

A