活性炭含水量对甲烷吸附量的影响.docx

活性炭含水量对甲烷吸附量的影响李明,姚金花(天津大学化学工程研究所,天津300072)摘要:本文利用容积法测试了活性炭AX-21在不同含水量下对甲烷吸附量的影响。实验条件为温度298.15K、压力0～8MPa。分析了活性炭的不同含水量对甲烷吸附量的影响。以及干燥时间与AX-21含水量的变化关系,并对在吸附剂微孔中甲烷和水形成水合物的问题进行了探讨。关键词:吸附;活性炭;含水量;甲烷水合物中图分类号:TQ424.1文献标识码:A文章编号:1008-1267(2001)05-0004-03Ξ活性炭作为一种通用的吸附剂,具有吸附容量容易实现,但在工业过程中却非常困难,因为大批量的炭料在存储和装卸过程中都难免不与空气有一定时间的接触,从而会吸附空气中的水分。综上所述,活性炭在实际应用中不可避免地会吸附一定量水分,而当炭料含有这部分水分后,对原有吸附质的吸附量有何影响,这便是工业过程中遇到的一个非常实际的问题。文献中关于活性炭含水量对其吸附容量影响的讨论比较少,近期Kenako3,4等发表了一些文章,讨论了在室温附近,0～32kPa下活性炭和活性炭纤维含水量对CH4吸附量的影响。本文则在更宽的压力范围内对此问题作一初步的探讨和研究。大、价格低、易脱附等优点,特别是高比表面活性炭对水分子气体(如H2、CH4等)有较大的吸附量,从而使其在工业中得到了越来越广泛的应用1。近年来研究活性炭对不同吸附质吸附性能的工作做得比较多,发表了大量的文献。水蒸气在活性炭上的吸附不仅在科研界引起了广泛的兴趣,而且对工程应用也非常重要,因为活性炭现已越来越广泛地应用于石油化工行业以及环保领域的气体分离和气体净化,而在这些过程中,活性炭是通过对某气体组分的吸附,来实现气体的分离和净化。但是一般工业操作中气体本身往往都含有少量的水蒸气,这就使得在吸附过程中,水蒸气的吸附与其它组分的吸附之间存在竞争,从而影响活性炭对其它组分的吸附性能。这主要体现在水蒸气的吸附会占有活性炭一定的表面或孔隙,并且由于活性炭表面往往含有一部分极性官能团2(羟基、羧基等),水分子会优先在这些活性点上吸附,并与这些基团有较强的相互作用(形成氢键),不易脱附,从而会影响其它组分在活性炭上的吸附量,进而影响到整个吸附工艺的操作条件,例如使得其它组分透过吸附床层的时间变短等等。另外由于活性炭在空气中暴露也会吸附大量水分,这部分水分占据了炭料的大部分表面或孔隙,所以在对活性炭的吸附实验研究中必须事先对其进行真空干燥处理,除去这些水分,然后再进行吸附量的测试。实验条件一般为温度100℃,压力0.06～0.1Pa下,干燥至恒重。这个步骤在实验中很11.1实验部分实验过程本文以天然气存贮为应用背景,研究活性炭含水量多少对甲烷吸附量的影响。选用商品活性炭AX-21(比表面3000n/g,孔容1.5ml/g)作为吸附剂,高纯甲烷(≥99.99%)为吸附质。取在空气中长期置放的活性炭55.43g,在110℃、0.06Pa条件下真空干燥一定时间,待炭料冷却至室温后,称重来计算水分失重,并记录干燥时间。采用容积法5测试炭料对甲烷的吸附量,温度298.15K,压力范围0～8MPa。然后继续干燥、称重、测吸附量。重复此过程,直至炭料Ξ收稿日期:2001-05-28作者简介:李明(1972-),男,博士研究生,化学工程专业,从事高压吸附研究。2001年9月天津化工5质量达到恒重。恒重后炭料的质量为28.77g。1.2实验结果为研究方便,以最终达到恒重的AX-21样品为干炭,并以此为基准来研究实验过程中活性炭水含量的变化以及对甲烷的吸附量的影响。图1为298.15K下,不同干燥时间、不同含水量AX-21对甲烷的吸附量。表2以干炭为质量基准,对比了压力为3.5MPa、不同干燥时间条件下的甲烷吸附量,并给出了不同干燥时间下活性炭含水量,以及此时水分所占体积与孔体积的比率,即孔填充率?W。对于孔填充率的计算,尽管有研究表明,被吸附水的状态不同于液态水,其结构更象冰,密度也小,但数值难以确定,因此在这里认为被吸附的水为液态水,密度取1g/ml。2分析与讨论从图1和表2可以看出,在干燥时间2～6h的过程中,2h的AX-21样品对甲烷的吸附量最小,而6h的样品对甲烷的吸附量最大,这是因为2h的活性炭中仍含有相当多的水分(0.4692水/g干炭),这些水分占据了一定的比表面积或孔隙,从而使得甲烷分子的吸附量很低。随着继续干燥,水分逐步被除去,因而被占据的比表面积或孔隙会暴露出来,使得甲烷的吸附量有显著的提高。在干燥6h以后,不同干燥时间下的活性炭样品对甲烷的吸附量则在整个压力范围内基本相同。尽管在6～32h的干燥期间,仍有少量的水分被逐步地除去,使得各样品的含水量并不相同,但对甲烷的吸附量基本保持不变,对此现象可从如下两个方面解释:一是