炭纤维基复合吸附材料的制备及其气体分离性能研究

炭纤维基复合吸附材料的制备及其气体分离性能研究苏金才1，2，邱介山（1.大连理工大学材料化工系炭材料研究室，大连0122.河北师范大学化学系，石家庄050016）积和优异的导电性能，这些性质使其具有独特的气体分离性能。本文以沥青基活性炭纤维和酚醛树脂为原料制备复合炭分子筛材料，用扫描电镜和氮吸附等温线法研究其外观型态和孔隙结构，在变电吸附工艺条件下以为探针考察了此类复合吸附材料的吸附分离性能。在能源的利用和转化过程中因排放CO导致/温室效应0现象已成为全球关注的环境问题之一。为解决这一问题，人们研究开发了许多方法来减少排放，包括以核能取代燃煤发电，提高煤燃烧效率等。这些方法虽各具特色但又存在着不同程度的经济、技术或社会方面的局限性近年来，气体分离技术逐渐发展成为与能源转化领域密切相关的技术，我们研究成功的活性炭纤维基复合炭分子筛材料（ACFCMS）对CO具有较大的吸附容量，对混合气体中的CO具有一定的选择吸附性，又具有一定的导电能力。基于这些性质，我们开发出一种新型吸附分离系统）））电振荡编辑朱海哲炭素技术吸附（ESA），这种系统脱附速度快、能耗低，在CO吸附分离方面有很好的应用前景。ACFCMS是由活性炭纤维（ACF）和酚醛树脂（PR）加工而成的块状活性炭，材料中树脂热解炭含量很低且在纤维接触点处将其桥接形成整体结构，并由此而形成ACFCMS中的大孔中流动时阻力很低，因此吸附质极易扩散至ACF表面的有效吸附点。整体结构可以避免颗粒活性炭（GAC）床层操作中出现的沟流现象，可以装填在水平方向设置的吸附设备中而不会出现工艺气体从旁路通过。本文考察了ACFCMS的性质并就其在ESA系统中对CO的吸附分离进行了初步探讨。1实验1.1样品制备ACFCMS样品的制备采用真空成型法，图1为制备路线示意图。短切ACF与PR粉末按一定比例加到适量水中，充分搅拌形成分散均匀的浆体，然后将浆体注入到成型模具中真空脱水后成型。得到的初产品经空气中60e干燥、150e固化后于氮气保护下700e炭化，最后经CO化而得产品。1.2孔结构表征以高纯氮为吸附质，利用ASAP2000型自动吸附仪测定77K下ACFCMS的氮吸附等温线。孔结构分析采用了一系列方法，包括BET法、Langmuir法、单点法、BJH法计算表面积Langmuir法计算孔径单点法、BJH法计算孔容积在ACFCMS上的吸脱附行为实验中测定CO在ACFCMS样品中穿透曲线的装置如图2所示。工艺气体流经ACFCMS样品（长10cm，直径1.9cm）去出口，下游气体由气相色谱的热导池检测器在线分析出口气组成，样品两端与导线连接形成电的通路。当ACFCMS被吸附质所饱和时，接通电路并在样品两端维持一定电压，吸附质便立即开始脱附。2结果与讨论2.1孔结构性质吸附等温线如图3所示，孔径分布曲线如图4所示，由N吸附等温线得到的表面积、孔容等列于表1中。）流量计T）温度显示器C）计算机P）打印机GC）气相色谱A）电流表V）电压表AC）交流电源吸附等温线ACFCMS的吸附等温线属于I型即Langmuir型，由此可以推断ACFCMS为微孔吸附剂。在相对压力较低的时候，ACFCMS对N的吸附量达到较炭素技术项目BJH法（孔径比表面积/孔径/nm孔容积高值，而传统GAC在吸附质压力较低时吸附量明显降低[6]，表明当吸附质浓度低时ACFCMS比GAC具有更好的吸附效果。ACFCMS的孔径分布呈单分散型，平均孔径为1.45nm，根据IVPC的分类标准，孔径2nm为微孔，这一点与N吸附等温线显表面积分别为870.7143m微孔容积为0.2cm/g，比传统GAC的相应值高一些2.2ACFCMS的吸脱附性能在ESA装置上测得CO在ACFCMS样品中的典型穿透曲线如图5所示。吸附开始前，先以惰性气体He吹扫样品赶出夹带的空气，然后将输入气体切换为CO被吸附，出口气中未检测到CO的存在。约12min后，出口气中有CO渗出且含量不断增加，即CO在所测样品中的穿透时间为12min.当吸附继续进行大约24min时出口气中CO量达到最大，并且不再随时间而变化，表明达到吸附饱和。从穿透曲线可以计算出CO在ACFCMS上的穿透吸附量为0.36L，而饱和吸附量约为0.67L.ACFCMS具有连续的炭骨架，使得材料整体具有导电性。图6是ACFCMS样品中有电流流过时的电流）电压关系，电流）电压关系为直线型且通过原点，服从欧姆定律。所测样品为直径1.9cm，长度10cm的圆柱体。由电流）电压关系可以计算出样品的电阻为0.598，电阻率为1670L8m.原样品的电阻率比ACF大得多。接触电阻、树脂热解炭的低导电能力及纤维与树脂炭界面间的电子散射是造成ACFCMS电阻率升高的主要原因。由于具有一定的电阻，当有电流通过时ACFCMS消耗电能并转化为热能，导致样品自身温度升高。图7是电能输入与样品自热升温的实验结果。由图7可以看出，样品通电升温过程中电能输入速率与温度成直线关系。在10J/s的电能输入速率下，使样品自然在ACFCMS样品上的穿透曲线在ACFCMS上的吸附脱附循环苏金才炭纤维基复合吸附材料的制备及其气体分离性能研究升温至100e所需的时间83s，达到200e和300e所需的时间分别为180s和323s.若提高电能输入速率，则达到上述温度所需的时间会相应减少。基于ACFCMS的电热性质，可以采用通电升温的方法来促进吸附质在ACFCMS上的脱附。这种方法的效果可由图8所示实验结果来证实。图8为在ACFCMS上的4个吸附）脱附循环，在前3个循环A、B、C中脱附过程由电能输入（10J/s）和He吹扫共同完成，第4个循环D中脱附仅在He吹扫下进行。比较B和D可以发现，脱附至相同程度时B所需时间比D所需时间少得多。显然，电能的加入使CO脱附速度大大加快。3结论活性炭纤维基复合炭分子筛材料是一种微孔吸附剂，它克服了颗粒状活性炭使用过程中出现的问题。这种材料具有较高的微孔容积和一定的导电能力，在电振荡吸附装置中进行的吸脱附实验表明，它有较大的吸附容量，电能输入可以有效地加的脱附。苏金才。活性炭纤维基复合炭分子筛材料的制备与应用研究[D].大连：大连理工大学化工学院炭材料研究室，苏金才，邱介山，等。活性炭纤维基复合炭分子筛材料的北川浩，铃木谦一郎。吸附的基础与设计[M].化学工业[6]陈耀庭，乔辉。活性炭纤维的结构性能与应用[J].化工新技术碳化硅生产新工艺传统的碳化硅生产工艺是间歇式的，而一种新的碳化硅生产工艺是连续式的，该工艺被称为HSC（HopkinsvilleSiliHSC工艺所用的电炉是一竖式圆筒形炉，炉壁结构材料为石墨。其中心电极穿过炉盖并部分埋入粒状碳化硅流化床内。流态化所用的气体为氮气，氮气通过电炉底部的气体分配器进入炉内。电流通过中心电极流向炉壁，流化床料层的电阻通过电热转化产生热量。所生成的碳化硅产品由电炉底部排出，加料和产品排出是连续化的。加入电炉中的炉料是一种低成本的硅砂和石油焦的混合物，与传统生产工艺所用的原料相同。流态化方法用于碳化硅生产，应改变炉料的电阻特性，使其适用于稳定态的全连续工艺。该工艺的一个显著特点是电炉产生的气体能被回收，而且容易进行处理，可有效保护环境。在HSC工艺中形成的碳化硅，是通过所加入的石油焦与一种中间态的气化硅反应而产生的。在它们转变为碳化硅时，石油焦颗粒的尺寸或形状稍有变化。这种电炉产品是一种多气孔的碳化硅聚合体，其中含有残余碳，需要在随后的工序中去除。HSC电炉的工作温度为18501900e，大大低于艾奇逊炉的温度。由于温度较低而且碳化硅形成的方法不同，所以HSC电炉生产的是一种具有B（立方晶体）结构的微晶碳化硅，这种碳化硅与传统的A（六方晶系）结构碳化硅具有完全不同的晶体形貌和特性。HSC碳化硅料的整个加工工艺包括脱碳、湿法和干法研磨、风动和流体粒度分级、化学提纯和新型喷雾干燥。炭素技术jklifred采石场除尘设备=36