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《南京林业大学》 2017年
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木质活性炭对小分子气体吸附容量的理论计算

王国栋  
【摘要】:近年来,释放到大气中的有机挥发性物质(VOCs)等小分子气体所带来的污染问题受到广泛关注,并成为世界环境领域的研究热点。活性炭作为一种工业气体吸附剂,具有比表面积高和吸附容量大等显著优点,从而广泛应用于气体吸附和分离等工艺,成为处理和应对许多环境问题的主要吸附材料和技术。活性炭的孔隙结构是决定其吸附性能的主要因素,因此,活性炭孔隙结构的表征与解析,以及孔隙结构与气体吸附容量的关系成为活性炭等多孔质材料研究与开发的主要基础理论问题。目前所采用的主要方法和途径是,在测定吸附剂的吸附等温线基础上,采用合适的数值法求解吸附积分方程,构筑用于反映活性炭复杂孔道结构的孔径分布模型,筛选出具有特殊应用价值的活性炭。本论文的研究目标和主要内容,为通过应用改进的密度泛函理论方法,以提高数值方法的可靠性,研究活性炭有效的孔径分布,为深入研究活性炭孔隙结构提供更加坚实的理论基础;在此基础上,计算研究活性炭在多种应用尺度下的气体吸附容量,为采用活性炭的孔隙结构来筛选具有特殊应用要求的活性炭提供理论依据。本论文的研究成果包括以下主要内容。通过分析表征不同来源、制备方法所得到的大量活性炭,应用数据挖掘分析活性炭样品的结构特征与分类。结合气体吸附法活性炭样品表征结果,经机器学习回归基于人工神经网络的活性炭分类模型,对相应样品吸附正丁烷工作容量进行三十次重复计算,与实测值的平均偏差为6.78%,成功建立起了活性炭的结构和正丁烷气体的吸附容量之间的关系。通过后向误差分析活性炭理论孔径分析的计算方法,比较了理论狭缝孔道内气体吸附量计算方法的稳定性。采用五种计算方法(MFA、WDA(Yu)、WDA(Liu)、FMSA和GCMC),研究大量活性炭理论狭缝型孔道对甲烷和二氧化碳的过剩吸附量。相比传统的理论计算方法MFA,基于加权密度近似法的密度泛函理论WDA(Yu)法所获得数值解的理论误差界宽度显著地缩小,表明WDA(Yu)更适合于活性炭的理论孔径分析。将改进的密度泛函理论WDA(Yu)应用于活性炭的理论孔径分析,使表征结果更加合理。在分析活性炭77 K下的氮气吸附等温线时,采用WDA(Yu)对64种活性炭样品在相对压力0.1~0.9区间内的吸附等温线进行拟合,与MFA相比,其计算精度和稳定性均显著提高,说明WDA(Yu)法可提高活性炭孔径分布表征结果的可靠性。此外,通过比较六种吸附积分方程的数值方法(P1~P6)对活性炭吸附二氧化碳气体等温线拟合的平均偏差,确定以B样条函数表示样品孔径分布的P1法,对所研究的大部分样品气体吸附量实测值和计算值的平均偏差可以控制在理论误差范围,说明该法所获得活性炭的表征结果更具有理论代表性。通过比较理论计算值与实验测定值,分析了不同孔径分析理论计算方法的可靠性。通过拟合298 K和0.2~2.0 MPa条件下活性炭的二氧化碳吸附等温线,表征分析活性炭的孔径分布,计算在温度为298 K,压力为0.2~2.0 MPa时相应活性炭样品吸附甲烷的容量。基于N1型固体表面非均匀假设,经WDA(Yu)获得的内核矩阵,以梯形离散化方法对吸附积分方程进行离散化处理,通过数值方法P1拟合样品二氧化碳的吸附等温线,对活性炭的表征结果能较准确反映活性炭的孔结构特点,根据这些理论分析结果预测了活性炭在多种条件下的甲烷吸附容量。
【学位授予单位】:南京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ424.1;X701

【参考文献】
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