活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　利用吸附存儲(chǔ)天然氣是一種節(jié)能的技術(shù)，可用于在低壓和室溫下儲(chǔ)存天然氣。通過活性炭吸附儲(chǔ)存天然氣與液化天然氣和壓縮天然氣技術(shù)相比具有多種優(yōu)勢。活性炭是一種吸附材料，在水處理，廢氣處理，化學(xué)凈化，氣體分離，溶劑回收和儲(chǔ)能等方面具有多種應(yīng)用。利用吸附存儲(chǔ)甲烷主要是活性炭在存儲(chǔ)和運(yùn)輸中提供了諸如在給定氣體密度下降低氣體燃料箱的操作壓力和在給定壓力下增加甲烷存儲(chǔ)容量的優(yōu)點(diǎn)。

　　用于儲(chǔ)存甲烷的活性炭結(jié)構(gòu)

　　活性炭的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以描述為沿隨機(jī)方向取向的石墨烯層的三維網(wǎng)絡(luò)，本期我們開發(fā)了一個(gè)新的微孔結(jié)構(gòu)模型。研究在不同的工藝下得出孔隙率，骨架密度，比表面積和每單位體積之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。并測試在室溫下活性炭對超臨界甲烷的體積儲(chǔ)存容量與重量儲(chǔ)存容量之間的關(guān)系。所提出的活性炭模型考慮了活化程度。完整的活化方法導(dǎo)致單層石墨烯片以隨機(jī)方向排列。圖1顯示了活化劑與原材料比為3：1的活性炭掃描透射電子顯微鏡(STEM)顯微照片。進(jìn)一步的侵蝕性活化導(dǎo)致石墨烯片的尺寸減小和比表面積增加。與無限大的石墨烯片相比，額外的表面積由截?cái)嗟氖�墨烯片的邊緣位置產(chǎn)生。部分活化方法導(dǎo)致部分活化，石墨烯層和非活化組分的組合導(dǎo)致較低表面積和0.52的粒狀孔隙率。

　　圖1：完全活化的活性炭與部分活化活性炭的STEM顯微照片。

　　以前提出的活性炭微孔率模型將表面積和孔隙率作為兩個(gè)獨(dú)立變量處理。通過將石墨烯片的長度限制在100和180之間，并通過改變石墨中石墨烯層的平均數(shù)量，我們計(jì)算孔隙率和比表面積之間的關(guān)系。圖2顯示了孔隙率和表面積之間的關(guān)系。

　　圖2：活性炭的比表面積與孔隙率之間的關(guān)系。

　　活性炭的重量與體積與甲烷儲(chǔ)存的關(guān)系

　　經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)活性炭的重量過量吸附與比表面積成正比。然而，對于儲(chǔ)氣應(yīng)用，重量和體積儲(chǔ)存容量是重要的指標(biāo)。圖3圖2顯示了兩種不同的活性炭過量吸附，重量儲(chǔ)存容量和體積儲(chǔ)存容量與孔隙度的關(guān)系。第一個(gè)模型將孔隙度和特定表面視為兩個(gè)獨(dú)立變量，而第二個(gè)模型將它們視為依賴變量。第一個(gè)模型表明，過量吸附與孔隙度無關(guān)，通過增加孔隙率來增加重量存儲(chǔ)容量，而通過增加孔隙率來減小體積存儲(chǔ)容量。通過將孔隙率和表面積作為兩個(gè)因變量處理，重量過量吸附和重量存儲(chǔ)容量通過增加孔隙率而增加。

　　圖3：活性炭的重量和體積儲(chǔ)存容量之間的關(guān)系。

　　圖4顯示了兩種活性炭的重量和體積存儲(chǔ)容量之間的相互依賴性。實(shí)驗(yàn)吸附測量與第二模型一致，將孔隙率和表面積作為因變量處理。經(jīng)過對比活性炭樣品的實(shí)驗(yàn)性過量吸附，重量儲(chǔ)存容量和體積儲(chǔ)存容量。圖3和圖4將理論模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。它表明，所開發(fā)的模型是通用的，并預(yù)測任何活性炭樣品的重量和體積儲(chǔ)存容量之間的相互依賴性。結(jié)果也適用于金屬有機(jī)骨架。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較好的活性炭不具有較高的表面積，但孔隙率在0.65和0.75之間。通過使用化學(xué)粘合劑將活性炭粉末壓縮成整料，實(shí)現(xiàn)了更高的體積儲(chǔ)存容量。整體的體積儲(chǔ)存容量使用整體式整體密度而不是活性炭的表觀密度或金屬有機(jī)框架材料的單晶密度來計(jì)算。

　　圖4：活性炭的體積和重量存儲(chǔ)容量在相同條件下之間的相互依賴性。

　　我們這次開發(fā)的微孔度模型，考慮了活性炭中的活化程度。通過結(jié)合高分辨率STEM和亞臨界氮吸附，研究了孔隙率與比表面積之間的相互依賴性。該模型預(yù)測了體積儲(chǔ)存容量與室溫下超臨界甲烷的重量儲(chǔ)存容量之間的關(guān)系。此外，該模型顯示體積儲(chǔ)存容量在活性炭為于孔隙率為0.73時(shí)，能實(shí)現(xiàn)較大的甲烷儲(chǔ)存量。

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