氦基混合气体在活性炭中的低温吸附特性研究

Helium-based gas mixture refers to a mixture with helium accounted for the vast majority. Studies on the adsorption characteristics, on one hand will provide theoretical basis and evaluation means for gas purification and the manufacture of large cryogenic refrigerator and helium liquefier; on the other hand will enrich our understanding of the adsorption kinetics and the competitive adsorption mechanism of mixed gas. However, the experimental research on Helium-based gas mixture adsorption is extremely little, not to mention the adsorption at the temperature below 77K. In this project we study the low temperature adsorption of helium-based binary gas mixture with 0.5~5% trace gases on activated carbon. Firstly this subject uses Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) and the density functional theory (DFT) to study the influence law of gas pressure, temperature, component composition and concentration, pore size distribution on mixed gas adsorption selectivity. Then the experimental research will be done under the guidance of theoretical analysis. The adsorption isotherms will be obtained at different temperature for each pure gases and mixed gases with different compositions and different concentrations, thereby the applicability of the adsorption models will be verified, and finally a new revised adsorption equilibrium models will be established which apply to helium-based gas mixture.

氦基混合气体是指氦气含量占绝大多数的一种混合气体。研究这种混合气体的低温吸附分离特性，一方面将为高纯气体的获得、大型低温制冷机及氦液化器的研制等提供了理论依据及评价手段，另一方面将丰富对吸附动力学、混合气体竞争吸附机理等的认识。77K以下温度氦基混合气体吸附实验数据极少，国内外在这方面研究几乎一片空白。本项目拟开展含微量(0.5~5%)X气体的氦基二元混合气体在活性炭中的低温吸附特性研究。首先采用正则系综方法(GCMC)和密度泛函理论(DFT)模拟计算He/X混合气体在活性炭中的低温吸附特性，分析气体压力、温度、组分成分及浓度、孔径大小及分布等因素对混合气体低温吸附选择性的影响。在理论模拟分析的指导下进行实验研究，分别测量各纯气体以及不同组分、不同浓度配比的混合气体在不同温度压力下的吸附平衡数据，从而验证现有吸附模型的适用性并努力找到一个适用于氦基混合气体的吸附平衡模型。

本项目围绕氦基混合气体在活性炭中的低温吸附特性开展了实验和理论研究。结合商业气体吸附仪，设计搭建了一套以制冷机做冷源的低温气体吸附实验平台。通过改进自由体积校正方法，优化了低温气体吸附实验结果。利用该吸附实验平台进行了多种纯气体及混合气体吸附实验研究。通过文献调研，全面掌握了气体吸附平衡理论以及各模型参数意义和具体计算方法，编写了相应计算程序。基于人工神经网络方法，提出了一种全新的低温吸附预测方法。分析了人工网络结构中隐藏层数目及神经元数目等对预测精度的影响关系，采用合适的隐藏层数目及神经元数目预测计算，取得了良好的吸附预测结果。全面表征了活性炭物理化学性质，包括比表面积、孔径分布、XPS、XRD、TEM以及压汞测试等，确定了活性炭内部为无定型碳结构。建立了活性炭分子模型，利用正则系综方法(GCMC)开展了分子模拟研究。首先进行了氮气、氧气、氢气等纯气体在不同温度压力下的吸附模拟计算；然后进行了氦基混合气体的吸附模拟研究，分析了不同组分、不同浓度配比的混合气体低温吸附特性。