活性炭结构改性、表征及煤井甲烷提浓的应用研究

论文摘要

活性炭是一种很重要的吸附剂和催化剂载体,由于其特殊的孔道结构和表面化学性质,广泛应用于吸附分离,能量存储,催化反应,环境治理等领域。近十几年来,人们陆续开发了一系列孔道结构发达、表面积高、孔径分布合理的超级活性炭,使得活性炭的制备、表征和应用有了很大进步。煤井甲烷是天然气的另一种存在形式,是高效的燃料和化工原料。但是由于大量煤井甲烷气的浓度很低,无法得到有效利用。随着人们对能源需求量的增加和对环保意识的增强,煤井甲烷的回收也变得日益重要。活性炭对煤井甲烷的提浓性能主要受其孔道结构和表面化学性质的影响,因此本论文对活性炭进行一系列的氧化改性、热处理、表面改性以调变其孔道结构和表面化学性质。研究发现,通过硝酸和双氧水对活性炭进行氧化改性,在其孔道结构无明显变化的情况下,可以引入大量酸性官能团;氧化之后的活性炭样品在氮气气氛下,经过热处理可以除去大量酸性官能团,并引入含氮碱性官能团,同时其孔道结构也有明显的改变;在氢气气氛下对活性炭进行还原改性可以除去酸性官能团,改变其孔道结构;在氮气、氨气气氛下对活性炭进行高温热处理,一方面可以引入含氮碱性官能团,另一方面可以改变其孔道结构。在自制的简易变压吸附装置上对活性炭改性样品进行评价。将实验结果同活性炭的比表面积或孔容、孔径分布、表面化学性质等进行关联发现,比表面积或孔容、孔径分布、表面化学性质对活性炭的甲烷提浓性能有不同程度的影响。当吸附压力为3atm,甲烷初始浓度为25%时,活性炭的最佳孔径分布为0.75~0.77nm;高的比表面积和孔容有利于甲烷的提浓;对活性炭进行适当的表面改性可在一定程度上提高活性炭的提浓性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 煤层气的生成、资源量及其分布
• 1.3 煤层气的利用途径
• 1.3.1 作为洁净能源
• 1.3.2 作为碳一化工原料
• 1.3.3 煤层气利用现状
• 1.4 煤井瓦斯气富集研究现状
• 1.5 活性炭的结构设计
• 1.5.1 活性炭的制备及活化机理
• 1.5.2 决定活性炭的吸附分离性能的影响因素
• 1.5.3 活性炭的结构特征
• 1.6 孔道结构效应
• 1.6.1 适宜孔径的确定
• 1.6.2 孔径修饰与控制
• 1.7 表面化学性质对甲烷吸附的影响
• 1.7.1 表面氧化改性
• 1.7.2 表面还原改性（热处理）
• 1.7.3 添加N，F，Cl等杂原子
• 1.8 本论文的目的和主要任务
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料及仪器
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 吸附材料制备
• 2.3 活性炭的改性
• 2.3.1 氧化改性
• 2.3.2 热处理
• 2.3.3 活性炭表面亲烃改性
• 2.3.4 活性炭表面担载金属氧化物改性
• 2.3.5 活性炭KOH的过度活化处理
• 2.4 样品表征及实验仪器
• 2.4.1 低温氮气吸脱附
• 2.4.2 红外光谱仪
• 2.4.3 Boehm滴定
• 2.4.4 程序升温脱附
• 2.5 评价装置及其评价程序
• 2.5.1 研究体系的确立
• 2.5.2 吸附剂的常压吸附性能评价
• 2.5.3 吸附剂的动态变压吸附性能评价
• 2.5.4 活性炭活化条件的确定
• 第三章 吸附剂的筛选与结构改性
• 3.1 引言
• 3.2 吸附剂的筛选
• 3.3 孔道结构的修饰
• 3.3.1 KOH过度活化改性
• 3.3.2 高温热处理改性
• 3.4 表面结构改性
• 3.5 本章小结
• 第四章 活性炭结构设计及表征
• 4.1 引言
• 4.2 活性炭表面氧化改性
• 4.2.1 双氧水改性
• 4.2.2 硝酸改性
• 2循环氧化改性'>4.2.3 O₂循环氧化改性
• 4.3 热处理改性
• 4.3.1 孔道结构的表征
• 4.3.2 表面结构的表征
• 4.4 活性炭复合改性
• 3氧化+N₂ 热处理'>4.4.1 HNO₃氧化+N₂热处理
• 2O₂氧化+N₂ 热处理'>4.4.2 H₂O₂氧化+N₂热处理
• 4.5 表面负载改性
• 4.6 本章小结
• 第五章 活性炭变压吸附富集甲烷性能的评价
• 5.1 引言
• 5.2 变压吸附富集甲烷经济性评价
• 5.2.1 理想混合气模型
• 5.2.2 实际混合气模型
• 5.3 活性炭样品的变压吸附评价
• 5.3.1 活性炭的结构因素
• 5.3.2 表面酸碱度的影响
• 5.3.3 表面积的影响
• 5.3.4 孔径的影响
• 5.3.5 表面化学性质的影响
• 5.3.6 粒度的影响
• 5.4 变压吸附条件的优化
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢
• 作者简介