咖啡渣成型制備生物質(zhì)炭及其CH4/N2分離性能

高雨舟，徐 爽，王成通，張雪潔，劉汝帥，陸安慧

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省低碳資源高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

1 前言

煤層氣是重要的非常規(guī)天然氣能源[1]，主要有效成分為甲烷（CH4），煤層氣中的雜質(zhì)（CO2、N2）會(huì)顯著降低氣體的熱值，應(yīng)予以去除[2]。目前，脫碳除氧工藝較成熟，因此CH4的提純難點(diǎn)在于CH4/N2混合體系的分離。針對(duì)CH4/N2混合體系的分離，目前常用的氣體分離提純技術(shù)有深冷技術(shù)、膜分離、變壓吸附等，其中變壓吸附技術(shù)能耗低氣體純度高，是一種具有潛力的氣體分離提純技術(shù)[3]，構(gòu)建高效吸附劑是變壓吸附技術(shù)的關(guān)鍵。

常見的多孔吸附劑主要有金屬有機(jī)框架（MOFs）[4–9]、沸石分子篩[10–13]、多孔炭[14–18]等。多孔炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、高比表面積和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)[19]，其中生物質(zhì)炭原料豐富，分布廣泛，價(jià)格低廉，考慮到低成本和可持續(xù)性的工業(yè)應(yīng)用要求，生物質(zhì)是制備多孔炭?jī)?yōu)良的前驅(qū)體[15]。例如，Li 等[20]將顆粒狀的大米直接炭化，所得顆粒的比表面積為776 m2·g?1，在298 K 和0.1 MPa下，其CH4吸附量和CH4/N2吸附選擇性分別達(dá)到1.12 mmol·g?1和5.7，機(jī)械強(qiáng)度為18 N 每粒。Wang 等[21]以顆粒狀油茶殼為碳源，通過(guò)KOH 活化制備整體式超微孔炭顆粒。在0.1 MPa 和298 K條件下，樣品對(duì)CH4的吸附量為1.82 mmol·g?1，對(duì)CH4/N2的選擇性為5.8，機(jī)械強(qiáng)度為32.7 N 每粒。這些多孔炭都是由未經(jīng)成型的生物質(zhì)直接炭化制成，缺點(diǎn)是其形狀不規(guī)則、強(qiáng)度低、易粉化等。

咖啡是世界三大飲品之一，全球每年約產(chǎn)生650 萬(wàn)噸咖啡渣廢棄物，咖啡渣是豐富廉價(jià)的生物質(zhì)炭原料。通過(guò)使用黏結(jié)劑，可以將粉末狀原料成型制備成規(guī)則的炭前驅(qū)體。黏結(jié)劑主要分為有機(jī)黏結(jié)劑[22]、無(wú)機(jī)黏結(jié)劑[23]和復(fù)合黏結(jié)劑[24]。黏結(jié)劑一般都會(huì)堵塞孔道，影響吸附劑性能，因此選擇合適的黏結(jié)劑尤為重要。硅酸鈉（Na2O·nSiO2）可用作黏結(jié)劑，同時(shí)其在高溫下能與碳反應(yīng)[25]，有利于物理活化過(guò)程；SiO2顆粒能起到硬模板的作用，炭化后用堿性溶液將SiO2洗凈形成介孔，構(gòu)筑開放性傳輸孔道。

因此，選用硅酸鈉與咖啡渣混合，擠條成型，經(jīng)炭化活化后形成具有豐富的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的炭材料，并將其用于CH4/N2分離。通過(guò)SEM、XRD、FT-IR、N2吸附和CO2吸附對(duì)咖啡渣基柱狀炭（Coffee grounds carbon, CGC）進(jìn)行表面化學(xué)表征和孔結(jié)構(gòu)分析。測(cè)定CGCs 的CH4和N2的吸附等溫線，利用Langmuir-Freundlich 公式[26]擬合吸附等溫線并使用IAST（Ideal adsorbed solution theory）估算樣品的CH4/N2選擇性。通過(guò)動(dòng)態(tài)穿透實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了其在不同壓力條件下的吸附分離性能。吸脫附循環(huán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、水汽測(cè)試和抗壓測(cè)試驗(yàn)證了其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

2 材料和方法

2.1 材料

咖啡渣（速溶咖啡萃取后的殘留物）由云南生產(chǎn)的咖啡加工制得，硅酸鈉由山東龍港硅業(yè)科技有限公司生產(chǎn)，純度規(guī)格為9.12% Na2O、28.81% SiO2（本實(shí)驗(yàn)將其配制成SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%的溶液進(jìn)行使用），高純CH4、N2購(gòu)自大連大特氣體有限公司，每種氣體的純度達(dá)到99.99%（體積分?jǐn)?shù)）。

2.2 柱狀多孔炭的制備

(1)炭前驅(qū)體的制備：將干燥至恒重的、顆粒直徑大于100 目的咖啡渣粉末與硅酸鈉溶液以不同質(zhì)量比（硅酸鈉溶液：咖啡渣粉末=1.1∶1、1.3∶1、1.5∶1）進(jìn)行混合，擠條成型后得到直徑為3 mm，長(zhǎng)約為10～15 mm 的柱狀炭前驅(qū)體，將其在常溫干燥24 h 后，在50 °C 下干燥24 h 封存?zhèn)溆谩?/p>

(2)樣品炭化活化：將柱狀炭前驅(qū)體置于炭化爐中，在Ar 氣氛下以3 °C·min?1的升溫速率升至800 °C，并在800°C 恒溫2 h。然后以10 °C·min?1的升溫速率升至850 °C，并在此溫度下對(duì)材料進(jìn)行水蒸氣活化40 min。最后冷卻至室溫取出，用NaOH 溶液對(duì)柱狀炭進(jìn)行堿洗，除去SiO2后水洗至中性即可獲得柱狀多孔炭材料，命名為CGC-X，X 為硅酸鈉與咖啡渣的質(zhì)量比。其中CGC-0 為咖啡渣原料未經(jīng)過(guò)擠條成型，直接炭化、活化制得。

2.3 樣品表征

材料的表面微觀形貌采用日立公司的Hitachi S-4800 的掃描電鏡進(jìn)行觀察。采用Panalytical X’Pert 型X 射線衍射儀測(cè)定樣品的晶型。采用NICOLET 6700 型的傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行材料的化學(xué)基團(tuán)分析測(cè)試。采用Micromeritics Tristar 3000 物理吸附儀測(cè)定樣品在77 K 下的N2吸附等溫線。測(cè)試前，所有樣品均需在423 K 下真空脫氣6 h。使用BET(Brunauer-Emmett-Telle)方程計(jì)算樣品的比表面積，使用tplot 法計(jì)算樣品的微孔比表面積和微孔體積，使用DFT(Density Function Theory)模型計(jì)算樣品的介孔分布。采用美國(guó)Quantachrome的AutosorbiQ-MP 吸附儀測(cè)定樣品在273 K 下的CO2吸附等溫線，用DFT 模型計(jì)算微孔孔徑分布。采用大連鵬輝科技開發(fā)有限公司的智能型顆粒強(qiáng)度測(cè)試儀DLⅢ測(cè)定樣品的機(jī)械強(qiáng)度。采用大連鵬輝科技開發(fā)有限公司的KM-4D 型顆粒磨耗測(cè)定儀測(cè)試樣品耐磨強(qiáng)度。

2.4 樣品性能測(cè)試

采用Micrometrics ASAP 2020 吸附儀測(cè)定樣品在273 和298 K 下的CH4、N2吸附等溫線，并采用Langmuir-Freundlich 模型對(duì)靜態(tài)吸附曲線進(jìn)行擬合，進(jìn)一步采用理想吸附溶液理論（IAST）計(jì)算樣品的分離選擇性。

Langmuir-Freundlich 方程是一種半經(jīng)驗(yàn)方程，以Langmuir 方程為基礎(chǔ)，引入指數(shù)形式的Freundlich 方程來(lái)表示吸附劑表面的非均質(zhì)性，其表達(dá)式為：

式中q為吸附平衡時(shí)的吸附量mmol·g?1，Qs為吸附劑的飽和吸附量mmol·g?1，K 為常數(shù), kPa?1，P為吸附平衡壓力kPa，m為表示吸附劑非均質(zhì)性的參數(shù)[27]。

采用自行搭建的動(dòng)態(tài)吸附穿透裝置，測(cè)定吸附劑的CH4和N2二元混合氣動(dòng)態(tài)穿透曲線，CGCs 樣品在測(cè)試前于真空條件，473 K 脫氣6 h，裝填吸附柱所用CGCs 樣品為40-60 目的顆粒。

3 結(jié)果與討論

3.1 柱狀多孔炭CGCs 的結(jié)構(gòu)

圖1 為樣品CGC-0 和樣品CGC-1.5 除硅前后的SEM 電鏡照片，從圖1a 和1b 可以看出沒加硅酸鈉的樣品CGC-0 表面光滑，只有邊緣處有不規(guī)則顆粒的堆積。添加了硅酸鈉的樣品CGC-1.5 除硅前表面存在大量球狀顆粒（圖1c 和1d），樣品除硅后表面產(chǎn)生了連續(xù)貫通的海綿狀結(jié)構(gòu)（圖1e 和1f），得到了孔隙度更加豐富的多孔炭材料。這歸因于炭化過(guò)程中硅酸鈉對(duì)咖啡渣起到了刻蝕作用。

圖1 樣品微觀形貌的SEM 照片：(a, b) CGC-0, (c, d) CGC-1.5 除硅前,(e, f) CGC-1.5 除硅后Fig.1 SEM images of (a, b) CGC-0, (c, d) CGC-1.5 before removal of the silica, (e, f) CGC-1.5 after removal of the silica

樣品的XRD 結(jié)果顯示（圖2a），未添加硅酸鈉的樣品CGC-0 只顯示出炭的衍射峰。而添加了硅酸鈉、除硅前的樣品除了炭的衍射峰外，在22°、27°、31°和36°位置出現(xiàn)了明顯的SiO2衍射峰[28]。除硅后，樣品在22°、31°和36°位置峰消失，僅保留27°的衍射峰，表明堿洗除硅后材料中仍殘留部分SiO2。將未除硅的樣品CGC-1.5 在馬弗爐中焙燒，根據(jù)其殘余物計(jì)算得SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2.48%。

為了考察硅酸鈉對(duì)柱狀活性炭表面的官能團(tuán)影響，對(duì)樣品進(jìn)行了紅外測(cè)試。圖2b 表明添加了硅酸鈉的CGCs 的主要特征吸收峰相似。3 420 cm?1左右出現(xiàn)的寬峰為O―H 伸縮振動(dòng)峰，1 080 cm?1的寬峰為C―O 伸縮振動(dòng)峰，隨著硅酸鈉比例的增加，3 420 和1 080 cm?1處的信號(hào)明顯增強(qiáng)，表明其表面含氧基團(tuán)的增加。2 970 和2 880 cm?1處的吸收峰歸屬于脂肪族―CH 伸縮，1 560 cm?1處的吸收峰來(lái)自芳香環(huán)的C＝C 伸縮振動(dòng)峰，而700～900 cm?1處的寬帶來(lái)自于芳香結(jié)構(gòu)的振動(dòng)[29]。

圖2 (a) 除硅前后CGCs 的XRD 譜圖與(b) GCCs 的紅外光譜圖Fig.2 (a) XRD patterns of CGCs before and after removal of the silica and (b) FT-IR spectra of CGCs

圖3a 為樣品在77 K 條件下的N2吸脫附等溫線。其中，CGC-0 表現(xiàn)出I 型和IV 型混合型等溫線，樣品CGC-1.1 未除硅、CGC-1.1、CGC-1.3 和CGC-1.5 的N2吸脫附等溫線均為Ⅳ型等溫線，在低壓區(qū)微孔迅速填充，并在中高壓區(qū)出現(xiàn)明顯的回滯環(huán)，表明材料中存在介孔結(jié)構(gòu)，且介孔孔徑尺寸主要大于10 nm（圖3b）。表1 列出了CGCs 的比表面積和孔容數(shù)據(jù)，可以看出，擠條成型的樣品CGC-1.1、CGC-1.3 和CGC-1.5 隨著硅酸鈉比例的增加，樣品的比表面積、總孔容和介孔孔容都隨之增加。其中，CGC-1.5 具有高的微孔比表面積和微孔孔容。除硅后，樣品的介孔比例增加，以樣品CGC-1.1 為例，未除硅樣品的介孔率約為36%，除硅后樣品的介孔率增至56%，表明多孔炭材料經(jīng)堿洗除SiO2后，增加了介孔結(jié)構(gòu)。樣品CGC-0 的比表面積和微孔孔容高于CGC-1.1 和CGC-1.3，這是由于CGC-0 是咖啡渣原料未經(jīng)擠條成型直接炭化、活化制得。與咖啡渣經(jīng)擠壓成型后的樣品相比，CGC-0 的結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，在相同的活化條件下，該結(jié)構(gòu)有利于水汽的充分活化，獲得較大比表面積。

圖3 除硅前后CGCs 樣品的(a) 77 K N2 吸脫附等溫線和 (b) 孔徑分布圖（DFT 方法）, CGCs 樣品的 (c) 273 K CO2 吸脫附等溫線和(d) 微孔孔徑分布圖和累計(jì)孔容（DFT 方法）Fig.3 (a) N2 adsorption isotherms at 77 K of CGCs before and after removal of silica and (b) pore size distributions (DFT model) from N2 adsorption at 77 K,(c) CO2 adsorption isotherms at 273 K of CGCs,(d) micropore size distributions and cumulative pore volumes(DFT model) from CO2 adsorption at 273 K

表1 CGCs 的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of CGCs

為了進(jìn)一步探究添加硅酸鈉的樣品除硅后的微孔分布，對(duì)CGCs 進(jìn)行了CO2吸脫附測(cè)試。圖3c 為CGCs 在273 K 下CO2的吸附等溫線，圖3d 為通過(guò)DFT 模型計(jì)算得到的微孔孔徑分布和累計(jì)孔容曲線?？梢钥闯鰳悠返奈⒖卓讖街饕植荚?.48 nm 左右，且隨著硅酸鈉比例的增大，分布在0.4～0.7 nm 的微孔增加，微孔總孔容也增加，表明可以通過(guò)改變硅酸鈉的用量調(diào)控樣品的微孔孔徑和孔容。

3.2 CH4 和N2 的吸附分離性能

圖4(a、b)分別為CGCs 在273 和298 K 條件下CH4和N2的吸附等溫線。在273 和298 K 下CGC-1.5 樣品均表現(xiàn)出最高的CH4靜態(tài)吸附量，分別為1.31 和0.87 mmol·g?1。從表2 可以看出，在298 K 時(shí)樣品N2的吸附量變化不大，但隨著樣品微孔孔容的增多，其CH4吸附量呈上升趨勢(shì)。

表2 CGCs 在298 K 和0.1 MPa 條件對(duì)CH4、N2 的吸附容量及IAST 選擇性（CH4∶N2=3∶7）Table 2 CH4 and N2 adsorption capacities of CGCs at 298 K, 0.1 MPa and the IAST selectivities of CGCs (CH4∶N2=3∶7)

圖4 CGCs 在(a) 273 K 和 (b) 298 K 下的CH4 和N2 靜態(tài)吸附曲線, (c) CGCs 對(duì)CH4/N2 的IAST 吸附選擇性(CH4∶N2=3∶7), (d) CGC-1.5 與文獻(xiàn)報(bào)道的部分吸附劑在CH4 吸附容量與CH4/N2 吸附選擇性方面的對(duì)比（CH4∶N2=3∶7, 298 K, 0.1 MPa）[5-7,10,12,15,20,21,27,30]Fig.4 CH4 and N2 adsorption isotherms of CGCs at (a) 273 K and (b) 298 K, (c) IAST-predicted selectivities of CGCs at 298 K (CH4/N2=3∶7), (d) the comparison between CGC-1.5 and other adsorbents on CH4/N2(3∶7) selectivity and CH4 uptake at 0.1 MPa and 298 K [5-7,10,12 , 15,20,21,27,30]

用Langmuir-Freundlich 方程對(duì)CH4和N2的靜態(tài)吸附曲線（298 K）進(jìn)行擬合，參數(shù)見表3，可以看出，在所研究的壓力范圍內(nèi)，Langmuir-Freundlich 模型與實(shí)驗(yàn)吸附數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性。CGCs 對(duì)CH4的飽和吸附量（Qs）均大于N2的飽和吸附量，且CH4的Qs隨著硅酸鈉比例的增加而增加。

表3 CGCs 在298 K 下對(duì)CH4 和N2 的Langmuir-Freundlich 擬合參數(shù)Table 3 Langmuir-Freundlich fitting parameters of CH4 and N2 on CGCs at 298 K

采用理想吸附溶液理論（IAST）計(jì)算了CGCs 對(duì)CH4/N2二元混合氣的吸附分離選擇性，如圖4c 所示。在298 K 和0.1 MPa 條件下，CGC-1.5 樣品的CH4/N2IAST 分離選擇性為10.3（CH4∶N2=3∶7）。將其與文獻(xiàn)報(bào)道中具有優(yōu)良CH4/N2吸附分離性能的樣品進(jìn)行比較，結(jié)果見圖4d?？梢钥闯鯟GC-1.5 樣品表現(xiàn)出了非常好的分離性能，優(yōu)于多數(shù)沸石和MOFs 材料。

由靜態(tài)測(cè)試結(jié)果可知C G C-1.5 樣品對(duì)CH4/N2混合氣具有優(yōu)良的分離效果，但對(duì)于吸附劑性能的評(píng)價(jià)，還需要模擬實(shí)際分離過(guò)程中的動(dòng)態(tài)分離過(guò)程。因此，對(duì)樣品CGC-1.5 進(jìn)行了CH4/N2的動(dòng)態(tài)分離性能測(cè)試（CH4∶N2=0.6∶1.4 m L·m i n?1）測(cè)試結(jié)果見圖5 和表4。從圖5a 中可以看出，N2比CH4先從裝有CGC-1.5 吸附劑的吸附柱床層中穿透，表明N2分子與CGC-1.5 之間的作用力較弱，CGC-1.5 對(duì)于N2的吸附量較少。N2和CH4的穿透時(shí)間間隔在15 min 以上，表明CGC-1.5 具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)分離效果。同時(shí)N2的穿透曲線存在一個(gè)明顯的駝峰，是由于在吸附過(guò)程中CH4分子與CGC-1.5 的相互作用力強(qiáng)于N2分子與其的相互作用力，隨著吸附位點(diǎn)減少，CH4分子會(huì)占據(jù)已經(jīng)吸附N2分子的吸附位點(diǎn)，發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，相對(duì)作用力較弱的N2分子被擠出，從而出現(xiàn)N2相對(duì)流出濃度大于吸附平衡時(shí)濃度的情況。CGC-1.5 的N2吸附量低至0.056 mmol·g?1，雖然其CH4吸附量只有0.25 mmol·g?1，但其表現(xiàn)出高的分離選擇性10.4（表4）。

圖5 CGC-1.5 在不同測(cè)試條件下CH4、N2 混合氣動(dòng)態(tài)穿透曲線 (a) 298 K 和0.11 MPa, (b) CGC-1.5 和CGC-0 動(dòng)態(tài)穿透曲線對(duì)比圖,(c) 298 K 和0.5 MPa, (d)水汽條件下動(dòng)態(tài)穿透曲線Fig.5 Breakthrough curves for CH4/N2 mixture of CGC-1.5 at different test conditions (a) 298 K and 0.11 MPa, (b) comparison of breakthrough curves between CGC-1.5 and CGC-0, (c) 298 K and 0.5 MPa, (d) breakthrough curve tested in humid condition

表4 在298 K, 1.1 bar 條件下CGCs 的CH4、N2 動(dòng)態(tài)吸附數(shù)據(jù)Table 4 Dynamic adsorption capacity of CH4 and N2 on CGCs at 298 K and 1.1 bar

為了對(duì)比，選取由咖啡渣未經(jīng)成型，直接炭化活化制備的樣品CGC-0 進(jìn)行研究。該樣品的比表面積為447 m2·g?1，總孔容積為0.19 cm3·g?1。從圖5b 可以看出，在相同條件下CGC-0 對(duì)CH4/N2混合氣的分離選擇性較弱，CH4和N2同時(shí)穿透，沒有起到很好的動(dòng)態(tài)篩分作用。從表4 可以看出，盡管CGC-0 樣品對(duì)CH4和N2的吸附量均高于CGC-1.5 樣品的，但其對(duì)CH4/N2分離選擇性僅為1.4?；谏鲜鼋Y(jié)果可知，在咖啡渣中添加硅酸鈉成型活化后有利于提高所制多孔炭材料的動(dòng)態(tài)篩分性能。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于吸附劑而言，除了吸附量和選擇性兩個(gè)主要性能指標(biāo)外，還需要更高的擴(kuò)散速率。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CGC-1.5 樣品經(jīng)過(guò)硅酸鈉硬模板法造孔引入的介孔起到了提高氣體在吸附劑內(nèi)部擴(kuò)散速率的作用，這更有利于吸附劑的實(shí)際應(yīng)用。

模擬煤層氣條件，在298 K、0.5 MPa（與0.11 MPa 測(cè)試時(shí)的體積空速一致CH4∶N2=3∶7）的條件下對(duì)CGC-1.5 進(jìn)行CH4/N2分離測(cè)試。如圖5c 所示，與常壓測(cè)試相比，加壓條件下N2在相似的時(shí)間穿透且吸附量低至0.064 mmol·g?1，與常壓測(cè)試的N2吸附量相近，表明CGC-1.5 對(duì)N2幾乎沒有吸附作用。相比之下，CH4的吸附量提升至0.49 mmol·g?1接近常壓吸附量的兩倍，并且加壓時(shí)樣品仍有9 min 的完全分離時(shí)間，選擇性也增至17.9，表現(xiàn)出吸附劑良好的分離性能。

通常煙道氣或煤層氣等復(fù)雜氣源中會(huì)含有一定量的水汽，因此需要吸附劑具有良好的耐水汽性?？紤]到工業(yè)運(yùn)用的實(shí)際情況，使用樣品CGC-1.5 在298 K 和0.11 MPa 的條件下進(jìn)行了潮濕條件下的動(dòng)態(tài)穿透測(cè)試(圖5d)。可以看出該樣品在含有水汽的環(huán)境中依然保持約15 min 的完全分離時(shí)間，其具有良好的耐水汽性。

吸附劑的再生能力決定了吸附劑的壽命以及工業(yè)生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)效益。因此，進(jìn)一步考察CGCs 的再生性能。對(duì)CGC-1.5 進(jìn)行了10 次吸-脫附循環(huán)測(cè)試，結(jié)果如圖6a 所示。在298 K 和0.11 MPa 條件下，CGC-1.5 對(duì)CH4吸附飽和后，用10 mL·min?1的氬氣吹掃10 min 即可實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生。重復(fù)進(jìn)行10 次吸脫附實(shí)驗(yàn)后，其循環(huán)吸附量未出現(xiàn)明顯變化，基本維持在0.25 mmol·g?1（圖6b），表明在溫和的再生條件下，CGC-1.5 具有強(qiáng)的再生能力。

對(duì)CGCs 進(jìn)行了機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)試（圖6c），可以看出除硅后樣品的機(jī)械強(qiáng)度降低，但CGC-1.5 的機(jī)械強(qiáng)度為123 N·cm?1，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求（100 N·cm?1）。同時(shí)根據(jù)國(guó)標(biāo)HG/T-2976 對(duì)樣品CGC-1.5 進(jìn)行了磨損率測(cè)試，其耐磨強(qiáng)度為98.89%。

圖6 在298 K 和0.11 MPa 條件下CGC-1.5 的(a) 吸-脫附循環(huán)測(cè)試, (b) 10 次循環(huán)測(cè)試CH4 動(dòng)態(tài)吸附量, (c) CGCs 的機(jī)械強(qiáng)度Fig.6 (a) Cycle test of CH4 adsorption-desorption on CGC-1.5 at 298 K and 0.11 MPa, followed a regeneration by Ar flow at 298 K, (b) CH4 uptakes on CGC-1.5 at 298 K in 10 times adsorption-desorption cycles, (c) mechanical strength of CGCs

4 結(jié)論

利用廢棄咖啡渣擠條成型，經(jīng)高溫炭化活化制備了系列高強(qiáng)度的柱狀多孔炭材料CGCs。通過(guò)水汽活化以及堿洗除硅過(guò)程，CGCs 形成了發(fā)達(dá)的微孔和介孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有利于加快氣體的傳質(zhì)過(guò)程。在298 K 和0.1 MPa 的條件下，CGC-1.5 的CH4靜態(tài)吸附量達(dá)到0.87 mmol·g?1，CH4/N2(3∶7) IAST 選擇性達(dá)到10.3。在加壓條件下，CGC-1.5 仍保持優(yōu)異的CH4/N2分離性能。該材料具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

致謝

感謝中石化大連院項(xiàng)目(HX20200500)，遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(LT2016001)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(DUT20GJ215)。