油气吸附用多级孔氧化铝-活性炭复合物的设计合成与性能研究

Oil volatilization has caused serious environmental pollution and Waste of resources.Oil vapor recovery embodies the development principle of energy saving and emission reduction. Activated carbon adsorption process is confronted with many problems such as the low adsorptive performance for large-size molecules, temperature increase of adsorbent bed and performance deterioration induced by water vapor. Oil vapor sorbent of mesoporous alumina/microporous activated carbon composites with hydrophobicity and hierarchical structure will be firstly designed and synthesized.. Improving the adsorptive performance of oil vapor will be carried by optimizing the pore structure. Evaluation of adsorptive performance and characterization of surface morphology and pore structure will be carried out to investigate the regulation mechanism between pore structure and adsorption property. The adsorption-desorption mechanism and kinetics model for n-butane and benzene vapor of the typical oil vapor components, will be researched by microscopic aspect. The influence of pore morphology on molecular adsorption and diffusion behavior of different sizes oil vapor will be investigated by experimental testing and numerical simulation.Study on the heat transfer of adsorption process will supply basic data for the optimal design and industrial applications of adsorbent.The feasible investigation of hierarchically structured material as oil vapor adsorbent possesses important theoretical value and practical significance for the development of high efficient oil vapor adsorbents.

油气挥发造成严重的环境污染和资源浪费，油气回收体现了节能环保的社会发展理念。活性炭作为主要油气吸附剂存在着对大尺寸分子吸附性能差、床层温度显著升高和水蒸气导致性能劣化等问题。本项目首次合成疏水性多级孔氧化铝-活性炭复合物作为油气吸附剂，通过改善孔道结构提高吸附剂的性能。开展油气吸附性能、表面形貌和结构的研究，探讨孔道结构和吸附性能之间的调控机制；从微观角度开展典型油气组分正丁烷和苯蒸气吸脱附机理和动力学模型等基础性研究，阐明孔道形貌对不同尺寸分子吸附扩散行为的影响机制；采用实验研究和数值模拟相结合的手段，分析吸附过程热量传递的影响因素，为吸附剂优化设计和工业应用提供基础性数据。多级孔材料用于油气吸附的可行性研究对于开发高效油气吸附剂具有重要的理论价值与实际意义。

油气挥发造成严重的环境污染和资源浪费，油气回收体现了节能环保的社会发展理念。活性炭作为主要油气吸附剂存在着对大尺寸分子吸附性能差、床层温度显著升高和水蒸气导致性能劣化等问题。本项目首次采用后合成法合成疏水性多级孔氧化铝-活性炭复合物，通过改善孔道结构提高吸附剂的性能；样品比表面积最大为721.234m2/g，对苯蒸气的静态吸附量为1.848mmol/g，明显高于介孔Al2O3。通过正交实验优化吸附工艺参数，在最优条件下吸附穿透时间为40min；嫁接硅氧烷基团后，35RH%气氛中穿透时间由21min增加至38min。项目从微观角度开展典型油气组分吸脱附机理和动力学模型等基础性研究，阐明孔道形貌对不同尺寸分子吸附扩散行为的影响机制；以正丁烷和苯蒸气作为探针分子研究吸附质的物性、分子大小和吸附剂微观孔结构之间的对应关系。吸附剂的孔隙结构为吸附质提供驻留的场所，被吸附的分子会造成相邻孔壁的势能场过度重叠，捕获吸附质分子的有效交互作用增强，吸附在微孔中的气体难以解吸，脱附再生效率低。实验中所采用的AlP-1（P-2000）多级孔材料平均孔径4.158nm，在吸附的初始阶段以单层吸附为主，在相同气外界条件下，分子直径小的正丁烷吸附速率快；当孔隙大小为吸附分子的2-4倍时最有利于吸附，对需要重复再生的吸附剂这一比值为4-6或更高，吸附剂的孔径与吸附质分子或离子的几何大小存在一个匹配问题，可以此来进行吸附剂孔结构的调变依据。在活性炭材料中引入导热材料介孔氧化铝，通过增加孔隙率，改善微孔结构活性炭的热传递性能受孔道形貌的限制，加快气体在孔隙内的扩散传质速率，提高复合吸附剂的导热性能。多级孔氧化铝-活性炭复合物做吸附剂，床层温度升高1.2℃，明显低于纯活性炭吸附剂床层上升的6℃。采用实验研究和数值模拟相结合的手段，分析吸附过程热量传递的影响因素，为吸附剂优化设计和工业应用提供基础性数据。以U型管为物理模型，结合吸附穿透曲线的拟合数据，分析多个参数对热传递的影响。混合气体在多孔介质区因吸附产生的热量一部分被流体带向下游，另一部分在热传导的作用下向上游迁移，向上游迁移的热阻远远高于向下游迁移的热阻，即吸附过程自生的吸附热是影响床层温度的重要因素，研究结果和研究方法可有效对吸附工艺过程进行优化。多级孔材料用于油气吸附的可行性研究对于开发高效油气吸附剂具有重要的理论价值与实际意义。