天然气存储用高比表面积活性炭的制备及对甲烷吸附性能的研究

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天然气作为环境友好型燃料,在我国能源消费结构的比例日益提高。吸附存储天然气技术(ANG)是对天然气高效存储的新技术,高容量吸附材料的制备是技术核心。综合考虑吸附能力、生产成本以及循环寿命等因素,高比表面积活性炭被认为是最有推广前景和应用价值的天然气存储吸附剂。KOH活化法被认为是制备高比表面积活性炭的有效方法。目前,该法存在的问题如下:首先,实验室研究多采用保护气控制烧蚀程度,这对于工业化生产高比表面积活性炭的指导意义并不明显。其次,原料性质对KOH活化法的影响鲜有研究,造成难以判断合适的原料预处理方法。最后,由于KOH加入量大,对设备腐蚀和环境破坏严重。本文以椰壳炭化料为原料,研究经KOH活化制备出比表面积超过3000m2/g的活性炭;通过高压吸附分析仪(HPVA)测定了活性炭对甲烷的体积吸附量。具体内容如下:(1)探索研究中低温熬制,后用密闭反应器制备高比表面积活性炭的工艺,经正交实验确定最佳工艺条件为:碱炭比(KOH与炭化料的质量比)为4:1,活化温度为1073K,活化时间为60min。在最佳工艺条件下,所得活性炭的比表面积为3421m~2/g,总孔孔容为2.01cm~3/g。(2)原料挥发份主要来自原料表面的含氧官能团和内部的含氧物质,并与表面的羟基和酚羟基官能团的含量存在正相关性。当炭化料的挥发份在13~22%时,可以制备出比表面积超过3000m~2/g的活性炭。降低原料的挥发份后,所制备的活性炭的比表面积和碘吸附值分别提高190%和81%。(3)根据热力学反应吉布斯自由能,对KOH活化法机理进行初步推断。判定KCl作为活化助剂以降低KOH的加入量在热力学上是可行的。经实验研究发现,KCl的加入对于活化反应起到了促进作用,5~15%的KOH中钾的含量可以由相应钾含量的KCl替代。(4)以聚丙烯酰胺(PAM)为粘结剂,制备出的颗粒炭的碘吸附值最高为1958mg/g,比表面积为2212m~2/g,表观密度为0.33g/cm~3,强度达到82%,对甲烷的质量吸附量,体积吸附量,质量脱附量和体积脱附量分别为135mg/g,62.4cm~3/cm~3,130.1mg/g,41.2cm~3/cm~3,比市售天然气吸附剂分别提高了31%,31%,120%,52%。
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