用活性炭纖維吸附天然氣的探究

楊曉春,計 鵬

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶，163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶，163318）

用活性炭纖維吸附天然氣的探究

楊曉春1,計 鵬2

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶，163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶，163318）

通過對天然氣的吸附、存儲、以及對吸附劑的選擇、制備和吸附劑表面的修飾、改性的介紹，從而得出了活性炭纖維的作用，被作為一個很實用的吸附劑，同時，也分析了活性炭纖維吸附性能受到影響的因素。

吸附式存儲；活陛炭纖維；吸附罐

隨著時間的推移，使得每天的耗能壓力加大了，而石油及其提煉物等燃料給環(huán)境造帶來了污染，越來越嚴重，對于石油產(chǎn)品，在化工行業(yè)中，被廣泛的應(yīng)用起來，把天然氣當(dāng)做為汽車的一種、替代性的燃料。對于汽車的、每一種的替代性燃料中，因為天然氣具有良好的燃燒的特性、豐富的儲量，所以，被當(dāng)做汽車的各種替代性的燃料。但是，把天然氣用在汽車的燃料中，存在一個最顯著的不足，即其能量的密度不高，在IL汽油燃燒后，往往可放出45MJ的熱量值，而在室溫、常壓下，對于IL的天然氣，經(jīng)過完全的燃燒所放出的是0.04MJ的熱量值，因此，我們要限制天然氣的使用在車上，對于燃料的主要問題，是它怎樣去儲存。對于天然氣的儲存，具有三種方法：通過壓縮式去存儲、液化式去存儲，以及吸附式去存儲，而吸附存儲天然氣的技術(shù)，即ANG，因為其儲氣的壓力不高、其成本不高而安全性不差等優(yōu)點，所以，被作為天然氣的車用、儲存的技術(shù)。所謂吸附式存儲技術(shù)，是指在儲氣罐中，把天然氣作為專用的吸附劑，而采用的是比表面積大的、豐富的微孔的結(jié)構(gòu)，即孔徑小于2nm，在室溫、中低壓，即小于4MPa以下，把天然氣按照吸附的方式去儲存，因此，聯(lián)系實際的需要，給天然氣在儲存、工藝、裝置等方面進行應(yīng)用、研究，這是一個很重要的課題。對于此項工作，除了可以提高天然氣的儲存技術(shù)；還可以加大天然氣的應(yīng)用，特別是把天然氣用在汽車方面。

1 吸附存儲的原理及吸附劑的選擇

目前，對于這一方面的研究，其核心為吸附劑的制備，以高效、低成本為特征，另外，對于每一種吸附的材料，要求考慮其微孔的結(jié)構(gòu)、制備的方法，這往往給吸附性能帶來影響。我們都知道天然氣的主要成分是CH4，在這個分子內(nèi)沒有偶極矩，它與吸附劑之間的一個作用力是VanderVaals，在力中的Londond，是色散力，所以，在吸附過程中，吸附劑表面的極性對其影響不大，而吸附量由吸附劑的微孔、孔容、比表面積決定。根據(jù)實驗表明，在此基礎(chǔ)上還要考慮的是：所填充的密度、吸附的重量比、填充后的比表面積，以及損失率等。

1.1 吸附儲存的儲氣原理

在VanderVaals力作用下，把天然氣分子吸附到吸附劑的微孔內(nèi)，以及表面，來減小壓縮式儲存中的壓力，這就是所謂的吸附式存儲天然氣。這幾年，國外一直在研究一個關(guān)于增加天然氣的存儲技術(shù)，利用一個吸附介質(zhì)將氣體進行吸附到一個大的容器當(dāng)中，因為在吸附劑表面有大量的分子，其與氣體之間存在一定的作用力，其比氣體分子間的作用力高，這樣就造成在吸附劑表面的分子、尤其在附近的氣體分子，其濃度比氣相主體濃度要高。

1.2 吸附材料的選擇

在70年代，有一種新型的吸附材料，即活性炭纖維，在人們的選擇、比較的基礎(chǔ)上，把活性炭即ActivatedCarborn，以及活性炭纖維，作為天然氣的吸附存儲材料。由于這種比較新型的吸附劑對于氣體的吸附能力強，所以要比一般的活性炭有著更加好的性能。它獨特的微孔結(jié)構(gòu)，決定了其優(yōu)良的性能，以及特有的孔結(jié)構(gòu)。在對活性炭、活性炭纖維的孔結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，分析出AC的孔徑在分布上不寬，而微孔是豐富的，其開口在纖維的表面，有不多的是中孔，而大孔的數(shù)量很少甚至沒有；而對于活性炭，其孔徑分布不窄，具有很多中孔和大孔，在填充吸附罐時，往往需要的是薪結(jié)劑來固定其成型，從而，造成一部分的比表面積的損失，而其吸附、脫附的速度比較起來不快。主要是由于天然氣發(fā)生吸附作用的時候，是根據(jù)微孔的結(jié)構(gòu)形式進行的，因此，在一樣的條件之下，采用ACFs對此進行吸附，在吸附效果方面，速度方面都要優(yōu)于活性炭。另外，對于活性炭纖維的微孔，往往開口在纖維的表面，所以，ACFs是天然氣吸附、儲存的一個主要吸附材料。

3 活性炭纖維的制備后的性能分析

3.1 影響炭纖維活化后性能的因素

如果當(dāng)炭纖維被活化之后，針對影響吸附性能方面的因素進行探究，可以得出，主要是由于活化劑的類別、濃度大小以及環(huán)境溫度等因素的影響，在工業(yè)上，往往使用的是活化劑，即水蒸氣。我們根據(jù)相關(guān)的研究資料，可以知道，當(dāng)活化的時間加長了，在溫度和濃度方面也相應(yīng)的進行了提高，活化吸附劑表面積就會增大，在這些變量加到一定數(shù)值后，使得ACsF的表面積、吸附數(shù)量又是下降的態(tài)勢而進行。

3.2 決定ACFS對天然氣吸附性能的因素

對于天然氣吸附性能，由比表面積、微孔體積而決定。所以，我們在進行填裝吸附劑材料的時候，要結(jié)合這兩個方面去考慮，不能單一的去考慮。否則就會出現(xiàn)偏差。

綜上所述，本文對于對天然氣的吸附、存儲、以及對吸附劑的選擇、制備和吸附劑表面的修飾、改性的介紹，從而得出了活性炭纖維的作用。

[1] 陶北平,張劍鋒.天然氣汽車甲烷專用吸附劑的研究開發(fā)概況[J].天然氣化工.2001(04)

[2] 陳慶文,陳慶敏,鄭艷彬.天然氣吸附儲存技術(shù)[J].油氣田地面工程.2001(04)

[3] 李汝雄,楊春育.用炭素材料吸附貯藏甲烷和氫氣[J].化工新型材料.2001(01)

楊曉春，男，1990年12月23日，東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院在讀本科生

Using Activated Carbon Fiber Adsorption Gas Research

Yang Xiaochun1，Ji Peng2
(1.College of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing,163318,China 2. Daqing Oil Field,Daqing,163318,China)

Based on the adsorption of natural gas,storage,and the selection of adsorbent,preparation and modification,modification of the surface of the adsorbent is introduced,and the role of activated carbon fiber is obtained,is used as a useful adsorbent,at the same time,also analyzed the factors affected the adsorption performance of activated carbon fiber.

Adsorption storage;Live positions carbon fibers;Adsorption tank

圖1 活性炭纖維有機天然氣吸附裝置工藝流程