научная статья по теме АДСОРБЦИЯ МЕТАНА НА МИКРОПОРИСТОМ УГЛЕРОДНОМ АДСОРБЕНТЕ АУ-5 Химия

Текст научной статьи на тему «АДСОРБЦИЯ МЕТАНА НА МИКРОПОРИСТОМ УГЛЕРОДНОМ АДСОРБЕНТЕ АУ-5»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2013, том 49, № 5, с. 483-490

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ

УДК 541.183

АДСОРБЦИЯ МЕТАНА НА МИКРОПОРИСТОМ УГЛЕРОДНОМ

АДСОРБЕНТЕ АУ-5

© 2013 г. Е. М. Стриженов1, А. В. Школин2, А. А. Фомкин2, А. А. Прибылов2,

А. А. Жердев1, И. А. Смирнов1

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, e-mail: strizhenov@list.ru 2ФГБУНИнститут физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН 119071 Москва, Ленинский проспект, 31, e-mail: shkolin@bk.ru Поступила в редакцию 11.03.2012 г.

Измерена абсолютная адсорбция метана на микропористом углеродном адсорбенте АУ-5 в интервалах давлений от 20 Па до 25 МПа и температур от 178 до 360 К. Изостеры адсорбции во всем интервале давлений температур хорошо аппроксимируются прямыми линиями, которые не изменяют наклона при переходе в область сверхкритических температур в условиях резкой неидеальности газовой фазы. Рассчитаны зависимости дифференциальной мольной изостерической теплоты адсорбции от величины адсорбции метана на данном адсорбенте. Проведен анализ эффективности адсорбционных систем хранения, а также осуществлен выбор оптимальных а-р-Т-параметров аккумулирования метана.

DOI: 10.7868/S0044185613050094

ВВЕДЕНИЕ

Метан широко используется при производстве продуктов органического синтеза и в процессах получения тепловой энергии [1]. Большие запасы природного газа метана в мире, определяют его широкое использование и относительно невысокую стоимость. На протяжении последних десятилетий во всем мире и в России ведутся работы по создания эффективных топливных систем автомобилей, использующих метан в качестве топлива. В частности, разработаны и эксплуатируются баллонные автомобильные системы, в которых газ находится в сжатом состоянии при давлениях до 20 МПа [2]. Автомобили заправляются на специальных автомобильных газонаполнительных станциях (АГНКС). Однако сеть АГНКС слабо развита из-за высоких требований техники безопасности к таким объектам. В связи с этим возникла проблема хранения (аккумулирования) газа на борту автомобиля при более низких давлениях. В [3] сформулировано приемлемое для автотранспорта требование к удельному количеству запасаемого метана для топливной системы автомобиля —

не менее 150 м3 (нтд ) метана на кубический метр объема системы хранения при 3.5 МПа и 298 К. Решению этой задачи посвящено множество работ.

В обзоре [4] рассматриваются возможности хранения метана в адсорбированном состоянии и в виде газогидратов.

нтд — нормальная температура 293 К и давление 101 кПа.

Газогидратное состояние метана имеет рад особенностей, мешающих его использованию. В частности температура системы должна быть выше 273 К [5], так как при более низких температурах газогидраты не образуются и не разрушаются из-за замерзания воды. При температурах, превышающих 303—313 К свойства системы ухудшаются, так как становится существенным унос воды из системы за счет испарения.

Одним из наиболее эффективных подходов к решению данной задачи, является применение адсорбционных методов. Исследованию общих закономерностей концентрирования метана на различных микропористых адсорбентах, в последние годы, уделяется большое внимание. Измерению адсорбции метана на активных углях посвящены, например, работы [6 — 10]. В [11, 12] проведены исследования по аккумулированию метана в микропористых адсорбентах. В работе [13] предпринята попытка систематизировать данные по аккумулированию метана при комнатной температуре и установить взаимосвязь между удельной поверхностью адсорбентов и количеством запасенного метана.

По литературным данным наибольшей адсорбционной активностью по метану обладают микропористые углеродные адсорбенты с хорошо развитой структурой [13] и адсорбенты на основе металлоорганических пористых материалов (МОБ-структуры) [14]. Однако последние не обеспечивают долговременной стабильности адсорбционных свойств.

1

В подавляющем большинстве работ, адсорбционные системы "микропористый углеродный адсорбент—метан" исследованы либо в небольшом интервале давлений, либо в узком интервале температур. Это, в свою очередь, резко сужает возможности для прогнозирования поведения "аккумуляторов метана" в различных температурных условиях, а также их поведения при заправке.

В связи с этим, для решения задач, оптимизации топливных систем автомобилей, работающих на метане, и выбора наиболее эффективных параметров работы адсорберов, важно исследовать общие закономерности адсорбции в микропористых адсорбентах в широких интервалах давлений и температур.

Микропористые адсорбенты, полученные на основе полимерных материалов, могут быть перспективными для решения поставленной задачи. В этой связи, данная работа посвящена исследованию общих закономерностей адсорбции и термодинамических функций процесса адсорбции на микропористом углеродном адсорбенте АУ-5, полученном на основе сверхсшитого фурфурола.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Микропористый углеродный адсорбент АУ-5

В работе использовали микропористый углеродный адсорбент АУ-5, полученный из фурфурола путем термохимического синтеза углеродной матрицы. Структурно-энергетические характеристики адсорбента определяли по изотерме адсорбции стандартного пара бензола при 298 К при помощи Теории объемного заполнения мик-ропор Дубинина [15] и уравнения Кельвина [16]. В области малых заполнений на изотерме наблюдался крутой подъем, что свидетельствует о наличии значительного объема микропор в пористой структуре адсорбента. В области давлений близких к давлению насыщенного пара бензола на изотерме адсорбции присутствовал подъем, характерный для капиллярно-конденсационных явлений в мезопористой структуре. Изотермы адсорбции и десорбции образовывали хорошо выраженную петлю гистерезиса, при p/ps > 0.3. Это свидетельствует о наличии развитой структуры транспортной пористости — мезопор, в пористой структуре адсорбента.

Результаты анализа изотермы адсорбции бензола в координатах уравнения Дубинина—Радушке-вича позволили определить следующие характеристики: удельный объем микропор — W0 = 0.53 см3/г; характеристическая энергия адсорбции бензола — Е0 = 21.1 кДж/моль; средняя эффективная полуширина микропор — х0 = 0.57 нм.

Структурные характеристики мезопористой структуры были определены по методике, описанной в [17], при использовании термодина-

мического подхода Кельвина. Анализ показал, что объем мезопор составил Wme = 0.31 см3/г, удельная поверхность мезопор ^те = 390 м2/г.

Насыпная плотность регенерированного адсорбента составила pp = 0.500 г/см3.

Метан

В качестве адсорбата использовали метан марки ВЧ чистотой 99.98%. В соответствии с [18] метан обладает следующими физико-химическими характеристиками: молекулярный вес М = 16.043; критическая температура Тсг = 190.55 К; критическое давление pcr = 4.641 МПа; критическая плотность ркр = 162.3 кг/м3; температура кипения Ть = = 111.42 К; температура тройной точки Ти. = 90.66 К.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Равновесные величины адсорбции метана на АУ-5 измеряли на трех оригинальных установках разработанных в ИФХЭ РАН.

В интервале давлений от 0.1 Па до 0.1 МПа и температур от 178 до 360 К адсорбцию метана измеряли на полуавтоматической адсорбционной весовой вакуумной установке [19]. В эксперименте использовали навеску адсорбента массой 0.28 г. Регенерацию адсорбента проводили в течение 6 часов при температуре 623 К до давления 0.1 Па. Максимальная абсолютная погрешность измерения, определенная по методике, приведенной в [20], составила ±0.01 ммоль/г с доверительной вероятностью 95%.

Измерение давлений метана в пределах 0.13 Па—0.13 МПа осуществляли манометрами абсолютного давления М10, М1000, разработанными и изготовленными в ИФХЭ РАН. Погрешность измерения давлений манометром М10 в интервале 0.13 до 1330 Па составила ±0.066 Па, а манометром М1000 в интервале от 13 Па до 130 кПа составляла ±4.0 Па. Для измерения давлений выше 0.1 МПа использовали метрологический грузопоршневой манометр типа МП-600 с классом точности 0.05 и образцовые манометры МТИ-4, МТИ-6, МТИ-16, МТИ-25 (тип 1227), МТИ-40 (тип 1226) и МТИ-100 с классом точности 0.15.

Для термостатирования образца адсорбента в специальных сосудах Дьюара поддерживали температуры тройных точек веществ. Для этого при температуре 273.15 К использовали воду, 243 К — н-декан, 216 К — н-октан [21], 178 К — ацетон. В интервале температур от 293 до 360 К температуру поддерживали при помощи жидкостного водяного ультратермостата с погрешностью ±0.05 К.

Измерение величин равновесной адсорбции в интервале давлений от 0.1 до 6 МПа и температур от 178 до 273 К проводили на универсальной ад-сорбционно-дилатометрической установке объемным методом [22]. В эксперименте использовали навеску адсорбента массой 4.8292 г. Регенерацию адсорбента проводили в течение 6 часов при температуре 673 К до давления 0.1 Па. Максимальная абсолютная погрешность измерения составляла ±0.05 ммоль/г с доверительной вероятностью 95%. Образец АУ-5 помещали в металлическую ампулу и, подавая в нее метан известными порциями, при заданной температуре определяли равновесное давление газа в ампуле. Калибровку установки проводили с помощью "макета" из электротехнической меди, который имел объем идентичный объему адсорбента вместе с объемом его микропор. Таким методом получали кривые зависимости количества метана в ампуле с адсорбентом и с макетом от давления газовой фазы и температуры адсорбента.

По разнице количества метана в объеме измерительной части установки с адсорбентом и с макетом при одинаковых давлениях и температурах определяли величины абсолютной адсорбции:

а = N - Мм )/ то, (1)

где N и — количества газа в ампуле с адсорбентом и с макетом соответственно, то — масса регенерированного адсорбента.

В интервале давлений от 0.2 до 25 МПа и температур от 305 до 360 К равновесные величины адсорбции измеряли объемно-весовым методом на оригинальной установке [23]. В эксперименте использовали навеску адсорбента массой 2.5775 г. Регенерацию адсорбента проводили в течение 5 часов п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»