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有序介孔材料吸附功能研究

刘秀伍  
【摘要】: 随着全球经济的发展和人口的增长,能源危机和环境污染日益成为两个最受关注的热点。煤和石油一直是能源的主要来源,随着这些不可再生性资源日渐匮乏,迫使人们寻找新能源和可再生能源。天然气作为一种清洁能源,由于储量丰富、价格便宜,在中国21世纪能源结构中将占更大的份额。天然气水合物(NGH)存储方法已经引起了研究学者的广泛注意,采用此方法在10MPa压力下甲烷储量可达164 V/V,是采用压缩天然气(CNG)达到同样储量压力的1/2,存储成本降低26%。本课题组率先进行了用湿活性炭存储甲烷的研究,湿活性炭的甲烷储量比干碳储量提高63%,随后进行充放气研究表明,在湿活性炭上3分钟内就能生成大量天然气水合物,并且在充放气过程中的热效应不明显(局部温度最大波动不超过8℃),仅是吸附天然气(ANG)温度波动(80℃)的1/10,因此在多孔介质中进行湿储不仅可以提高储量,而且充放气非常迅速,可能引发一场天然气存储技术的革命。近年来合成的有序介孔材料具有规则可调的介孔孔径,大的比表面积和孔体积,可能是提高湿储甲烷容量的有效吸附剂,因而本论文进行不同有序介孔材料(MCM-41、SBA-15、CMK-3)的合成及其甲烷存储方面的研究。研究发现,湿介孔材料的甲烷储量比干料储量有很大提高,尤其在CMK-3-1.25水样比为3.86时,甲烷存储量在6.72MPa压力下达到41.22%。通过测定不同温度甲烷吸入等温线,计算甲烷水合物的生成焓,与文献报道在纯水中的甲烷水合物生成焓基本相同,证明了在有序介孔材料内生成了甲烷水合物。 大气“温室效应”与地球变暖将是21世纪人类面临的最大环境问题。目前,人类在能源系统中产生大量二氧化碳并直接排放是导致该现象的主要原因。甲烷排放也对温室效应有很大的影响,因此从环境保护和节约能源的角度来看,在全世界范围内对排放的CH_4和CO_2进行回收和利用是非常必要的。所以,本文研究了新型有序介孔材料(SBA-15、CMK-3)对不同气体的吸附性能,考察了对不同气体吸附能力的差异,以探索应用于气体分离可能性。 本文初步探索了表面改性对有序介孔材料分离性能的影响,模拟沼气和垃圾气的组成,检测了以三乙醇胺改性的SBA-15对CO_2/CH_4的选择性分离效果。实验结果发现,TEA改性的SBA-15材料(Rc=1.0)对CO_2的吸附容量大大增加,并且可以通过甲烷冲洗或抽真空的方法可使吸附剂完全再生,成为一种可用做变压吸附分离CO_2的高选择性吸收剂。


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