功能化金属有机骨架材料中CO2/N2吸附分离的理论研究

金属有机骨架材料作为高比表面积、高孔隙率以及孔径尺寸可调的多孔材料,是一种极具潜力的CO₂物理吸附剂。本文构建了-H、-F、-Cl、-NH2官能团功能化修饰的金属有机骨架kgm-1结构,通过巨正则蒙特卡罗模拟方法研究了不同压强下功能化修饰的金属有机骨架中CO₂/N2吸附与分离行为,结果发现:CO₂和N₂的吸附量随着压强的升高而增加,功能化修饰对CO₂吸附量的影响明显大于对N2吸附量的影响。在kgm-1-H、kgm-1-F、kgm-1-Cl、kgm-1-NH₂四种构型中,-F修饰可以显著提高kgm-1的CO₂吸附量,并提高CO₂/N2的选择吸附比;功能化修饰后的选择性顺序遵循kgm-1-F> kgm-1-H> kgm-1-Cl>kgm-1-NH₂。通过气体分子-骨架间的相互作用力分析发现,骨架材料吸附气体分子主要是依靠骨架-气体分子间范德华力,极性官能团的引入明显提高了气体分...     

Mg-MOF-74对CO2/CH4吸附分离的分子动力学模拟及气体吸附性能研究

天然气是一种环保型能源并且可被广泛用做化工原料,但是其中的CO₂会严重影响天然气的热值与输送性能,因此对天然气中的CO₂进行有效脱除尤为重要。选用Mg-MOF-74作为吸附剂,采用分子动力学模拟计算方法分析Mg-MOF-74对CO₂/CH₄吸附分离性能的影响。模拟计算结果显示,在一定的温度、压强条件下,CO₂比CH₄更容易与Mg-MOF-74的金属位点相结合,Mg-MOF-74对CO₂气体的相互作用力更强,从而证明Mg-MOF-74对CO₂的吸附能力也更好。为验证模拟结果的准确性,制备了Mg-MOF-74并测试了其CO₂/CH₄吸附性能,实验结果与模拟结果一致,证明Mg-MOF-74对CO₂有很高的选择性。     

CO2/N2稀释对H2/CH4层流火焰传播特性的影响

利用本生灯-纹影系统实验研究含有CO₂,N₂的掺氢天然气层流预混火焰传播速度,并应用GRI-3.0机理模拟计算不同组分预混燃气绝热火焰温度、敏感性系数及重要自由基浓度等,详细讨论CO₂,N₂的稀释效应.研究表明,GRI-3.0机理能较好地预测掺氢天然气层流预混火焰传播速度;CO₂,N₂稀释组分会显著抑制掺氢天然气层流预混火焰速度及其绝热火焰温度;与N₂相比,CO₂不仅具有较强的热力学效应,且随着CO₂稀释比的增加,火焰中重要自由基H浓度显著减少,抑制氧化反应H+O₂O+OH对燃烧的主导促进效应,使预混燃料的层流火焰传播速度显著降低.     

注CO2前置段塞+N2顶替提高采收率机理

SJ油田为一低渗透油藏,天然能量低。受CO2气源不足以及油井管柱抗腐蚀能力差的限制,持续的CO2-EOR不适合SJ油田的实际情况。鉴于此,一个改进的对策是用N2推动的CO2前置段塞驱代替持续的CO2驱油。本文根据SJ油田先导试验区的流体特征,对比了连续注入CO2驱油和N2推动的CO2前置段塞混相驱油的效果和机理。在注CO2、N2细管驱替效率及最小混相压力实验测试基础上,通过注CO2、N2与地层原油多级接触混相驱机理相态模拟,长细管前置CO2混相驱替+后续N2段塞顶替驱替机理一维数值模拟研究,分析了前置CO2段塞+后续N2顶替驱油时原油与注入气的互溶情况、气驱界面张力变化规律、气驱过程中C2—C6的中间烃组分在油气两相中的分布、气驱过程中油气两相的黏度以及密度变化。结果表明SJ油田实施前置CO2段塞+后续N2顶替驱油时,后续的N2与前置的CO2段塞不会出现严重的扩散弥散,注气前缘仍能保持CO2的富集并实现稳定的混相驱油即在注气总量相同的情况下,N2推动的CO2前置段塞驱可以获得与持续的CO2驱相同的驱油效果;同时减少了CO2的注入量,从而可减缓CO2长期注入对油井管柱产生的腐蚀。所得认识对CO2驱提高采收率技术的改进和发展具有一定的启发作用。     

B掺杂介孔C/SiO2复合材料的自组装法合成及其CO2吸附性能

采用溶胶-凝胶结合协同自组装法,以三嵌段共聚物F127为模板剂,以正硅酸乙酯为硅源,以酚醛树脂为碳源,改变硼酸三异丙酯硼源的投料量,制备了一系列具有丰富介孔结构的新型B掺杂介孔C/SiO₂复合材料(BC/SiO₂),研究B的掺杂量对BC/SiO₂复合材料CO₂吸附性能的影响,采用3种等温吸附模型(Langmuir、Freundlich和DSL)分别对CO₂等温吸附曲线进行拟合分析。结果表明:BC/SiO₂复合材料呈球形,且具有较高的比表面积和均一的孔径分布;在BC/SiO₂复合材料中,大部分B原子已被均匀掺入到碳骨架中,从而产生极性位点;BC/SiO₂复合材料对CO₂的吸附能力不仅与材料比表面积大小有关,同时也与B掺杂所产生极性位点数量相关;B掺杂的BC/SiO₂复合材料对CO₂分子存在2种不同强弱的吸附位点,CO₂吸附等温线符合DSL等温吸附模型。     

金属有机框架材料MIL-126(Fe)对C3H8/C3H6反转吸附分离性能研究

【目的】丙烯(C₃H₆)是一种重要的烯烃原料,在实际生产中去除其中的丙烷(C₃H₈)杂质非常重要。金属有机框架材料(metal-organic frameworks, MOFs)对于C₃H₆和C₃H₈的分离纯化有着极大的前景,其中C₃H₈选择性吸附剂可一步获得高纯C₃H₆产物,有着极高的工业价值。MIL-126(Fe)由于富含的低极性苯环提供了密集的电负性结合位点,对于烷烃的优先吸附有很大潜力。【方法】采用溶剂热法合成了MIL-126(Fe),对其稳定性及C₃H₈/C₃H₆吸附分离性能进行了研究。【结果】MIL-126(Fe)有优异的稳定性;298 K和1 bar下C₃H₈吸附量为185.37 c...     

有机/无机复合材料吸附分离CO2的模拟研究

从烟道气中分离二氧化碳对于降低大气温室效应具有极其重要的意义。构造了由聚合物6FDA-1,5-NDA和多孔性二氧化硅组成的有机/无机复合材料吸附剂模型,并用GCMC方法模拟了烟道气[n（CO2）：n（N2）=15：85]在该材料中的吸附行为。结果表明,这种复合材料吸附剂对CO2的吸附量和选择性随着聚合物含量的增加而增加。在相对较低的温度下,复合材料吸附剂对CO2的选择性随压力的升高而缓慢下降,并趋向于一个平衡值;在高温下,吸附剂对CO2的选择性基本不随压力变化。在一定的吸附压力下,CO2和N2的吸附量均随温度的升高而快速下降,但CO2吸附量下降幅度比N2快,导致吸附剂对CO2的吸附选择性随温度的升高而下降。     

CO2对Fe2O3催化剂NH3-SCR脱硝性能影响

考虑到CO₂是固定源和移动源废气中的主要组分,Fe₂O₃是铁基催化剂中的重要活性物质,研究了CO₂对Fe₂O₃催化剂NH₃-SCR脱硝性能的影响.结果表明,CO₂的加入在300℃以下明显抑制了催化剂的NH₃-SCR性能.这主要是因为CO₂的存在改变了催化剂表面NH₃/NO_x的吸附行为,从而影响了NH₃-SCR反应.原位漫反射傅里叶变换红外光谱和程序升温脱附实验结果表明,CO₂可以被吸附活化成碳酸盐物种;这些碳酸盐物种可以作为新的酸性位点吸附NH₃物种,促进催化剂对NH₃的吸附;但同时CO₂和NO_x之间存在竞争吸附,这会导致催化剂表面生成的关键NO₂物种和硝酸盐物种的减少,从而...     

基于冰模板法的多孔地聚合物微结构及其对CO2的吸附性能

【目的】研究冰模板法制备的多孔地聚合物对CO₂的吸附性能,从而提供一种制备CO₂吸附剂的新方法,进一步拓宽地聚合物的应用范围。【方法】以水玻璃、矿渣为基本原材料,利用冰模板法制备多孔地聚合物,通过压汞法和N₂吸附/脱附法表征其孔结构,采用热分析仪研究其对CO₂的吸附性能。【结果】冰模板法制备的多孔地聚合物孔径呈三峰型分布,尺寸能从纳米到几微米再到几百微米变化,介孔结构呈现层状结构;多孔地聚合物对CO₂的吸附量达到4.07 mmol/g,吸附过程符合准二级动力学模型,其中物理吸附量和化学吸附量分别占总吸附量的7.28%和92.72%。【结论】与其他CO₂吸附剂相比,用冰模板法制备的多孔地聚合物具有较高的CO₂吸附量,其结合地聚合物本身耐高温和化学稳定性好的特性,可以实现在特定环境条件下的应用,是一种非常有潜力的CO₂吸附材料。     

基于金属有机框架材料的C2烃类吸附分离研究进展

乙烷、乙烯、乙炔这3种C2烃类在石油化工领域应用广泛,其分离纯化过程是进行化工生产的一个重要步骤．因C2烃类物理性质与分子尺寸都比较接近,对其进行分离提纯是分离领域的难题,目前工业上采用的主要是低温蒸馏法,但其能耗大,对设备要求高;吸附分离法被认为是一种能够降低能耗的有效手段,作为吸附剂的金属有机框架（MOFs）材料因其结构多样,比表面积高,孔道易于设计和功能化而备受关注,同时被认为在C2烃类节能分离领域具有很好的应用前景．本文对近年来基于MOFs材料的C2烃类吸附分离的研究作了归纳总结,主要从MOFs材料结构与分离性能间的关系出发,以不同的分离机制对C2烃类的分离作了介绍说明,探讨了其所存在的问题,并进行了展望．      

基于动态吸附的X型沸石对CO2/CH4分离性能实验

吸附法是可替代高能耗天然气脱碳工艺的重要技术之一,高效吸附剂是高压低含CO₂的天然气脱碳的关键。以13X与一种改进工艺后制备的X型沸石(PIMX)为吸附剂,通过多种表征手段和室内动态吸附实验,探究材料物理化学特性及不同工艺参数对CO₂/CH₄分离性能的影响,并以实际介质压缩天然气为原料气进行现场中试实验。结果表明：PIMX的c(Si)/c(Al)低、比表面积与孔隙体积大,对高压低含CO₂混合气的分离性能优于13X;CO₂在沸石微孔内扩散速度低于CH₄,但CO₂与沸石相互作用强,延长混合气与沸石的接触时间有利于CO₂/CH₄的分离;中试实验一定程度上验证了室内实验结果,CO₂出口物质的量分数为0.005%时PIMX在室内实验与中试实验中的CO₂吸附量分别为2.75和2.58 mmol/g。     

N2和O2在δ-Pu(100)表面吸附行为的理论研究

空气中活性气体在钚材料表面的吸附行为是引起钚材料表面腐蚀的重要原因。采用第一性原理方法对空气中N₂和O₂在δ-Pu (100) 表面的吸附行为进行了研究。对所有稳定吸附构型进行Bader电荷分析以及吸附能与结合能分析的结果表明:N₂的最稳定吸附构型为H-S-N6,O₂的最稳定吸附构型为H-P-O4。对这2种吸附构型进行差分电荷密度分析、态密度(DOS) 分析和晶体哈密顿轨道布居数(COHP) 计算的结果表明:N₂和O₂在δ-Pu (100) 表面的吸附均为强化学吸附,且O₂的吸附远远强于N₂。成键本质均为N原子或O原子的2s和2p轨道与表面Pu原子的6p、6d和5f轨道发生重叠杂化作用。研究结果对于N₂和O₂在δ-Pu (100) 表面共吸附行为的研究奠定了良好基础,对揭示钚材料在空气中的表面腐蚀机制有重要意义。     

CO2在页岩储层中的绝对吸附量及其影响因素分析

准确测定页岩对CO₂的吸附能力是研究页岩能否长期稳定封存CO₂以及评价注CO₂提高页岩油气采收率的关键。基于质量守恒原理,在考虑CO₂吸附相体积对吸附系统自由空间体积影响的基础上,推导了绝对吸附量与吉布斯吸附量之间的转换关系式。并通过开展重量法等温吸附实验,研究了黏土矿物含量、CO₂注入压力、相态类型、温度和页岩颗粒粒径对CO₂吸附量的影响。实验结果表明,液态CO₂比气态和超临界态具有更高的吸附量,且CO₂吸附量随注入压力的增加先快速增大后趋于稳定,随温度的升高而降低,但受颗粒粒径影响较小。CO₂绝对吸附量大于吉布斯吸附量,两者差值随页岩黏土矿物含量和页岩颗粒粒径的增加而增大,随储层温度的升高而降低,随CO₂注入压力的增加先增大后减小。当CO₂为液态时两者差值最大,其次为超临界和气态。目标区页岩CO₂吸附能力与已成功实施封存的...     

金属有机框架衍生的Co3O4/SnO2复合材料制备及其光催化性能

金属有机框架(metal-organic framework,MOF)材料ZIF-67衍生Co₃O₄十二面体纳米块在室温下与SnO₂复合,制备出立方体Co₃O₄/SnO₂复合光催化剂.煅烧后形成的Co₃O₄/SnO₂材料禁带宽度明显降低,荧光淬灭明显,说明Co₃O₄的加入拓展了SnO₂的光响应范围至可见光甚至红外光区域,同时促进了光催化反应过程中光生载流子的分离.以罗丹明B(Rhodamine B,Rh B)为目标反应物,在可见光下考察了MOF衍生的Co₃O₄/SnO₂的光催化降解活性,发现Co₃O₄/SnO₂在60 min内可以降解89.6%的Rh B,分别是纯SnO₂和纯...     

纤维素基多孔碳的制备及其CO2吸附性能研究

以甲基纤维素为原料,改变水热碳化温度得到不同水热产物,随后对其进行化学活化得到多孔碳样品。研究水热温度对多孔碳样品形貌和孔结构的影响,测试了样品在不同压力下的CO₂吸附性能。结果表明,水热温度对纤维素基多孔碳的孔结构影响较大。随着水热温度的升高,其比表面积、孔容、微孔比表面积、微孔孔容均呈现出先增大后减小的趋势,平均孔径则先减小后增大。CO₂吸附量也先增加后减小。样品ACe-270在纤维素基多孔碳中吸附性能最优,在温度为25 ℃、压力分别为0.1、0.2、0.3、0.4 MPa的条件下,其CO₂吸附量分别为0.65、1.92、3.76、5.23 mmol·g^-1。     

SnO2(110)表面In掺杂对NO2气敏吸附性能提升的理论研究

为了阐明In的掺杂能提高SnO₂(110)表面气敏性能的反应机制,采用密度泛函理论研究了NO₂分子在In掺杂SnO₂(110)表面的吸附行为. 计算结果表明:In的掺杂可以提高材料表面的导电性,形成具有氧空位的缺陷表面,有利于发生活性氧在表面的预吸附过程. 掺杂的In_5c/SnO₂(110)表面对NO₂表现出良好的吸附性,对NO₂气体的选择性和灵敏度提高的主要原因是In掺杂后氧空位缺陷表面的形成. 此外,活性氧物种的预吸附对材料表面气敏性能的影响取决于NO₂在材料表面的具体吸附位点,其中Sn_5c位点的吸附促使电荷从表面转移到气体分子,导致表面电阻的增大以及氧空位的产生,从而表现出优异的气敏吸附性能.     

氯化钠和盐酸用量对合成氨基介孔二氧化硅及其CO2吸附性能的影响

使用阴离子表面活性剂为模板剂,以γ-氨丙基三甲氧基硅烷(APMS)和正硅酸乙酯(TEOS)分别为共结构导向剂和硅源,直接合成了氨基介孔二氧化硅(AFMS).通过X射线衍射(XRD)、N2吸脱附和热重(TG)方法研究了合成体系中氯化钠(NaCl)和盐酸用量对AFMS结构和CO2吸附性能的影响.结果表明:合成体系中添加NaCl,并在此基础上优化盐酸用量,会提高合成介孔材料的有序度,增加AFMS的CO2吸附量.最佳条件下合成的材料在30℃,CO2分压为50 kPa时对CO2的吸附量可达0.89 mmol/g.     

活性炭在超声条件下碱洗和改性及对CO2的吸附研究

实验以椰壳颗粒活性炭为载体,活性炭在超声条件下经过碱洗后负载改性,用于吸附CO_2气体.研究在碱洗过程中的碱洗液浓度和超声时间对活性炭的清洗作用的影响,以及在改性过程中的搅拌时间、超声时间、改性剂对改性活性炭的吸附性能的影响,并采用热重分析、比表面积和孔径分析对碱洗后的活性炭、改性活性炭进行表征.结果表明:活性炭的碱洗条件是5 mol·L-1的KOH溶液,超声时间120 min;改性条件是搅拌时间30 min,超声时间100 min,10%(质量分数)的碳酸钾作为改性剂,对CO_2气体的吸附量达到1.5 mmol·g~(-1).研究表明:超声能够促进碱洗液在活性炭孔道中的分散效果,进而增强对活性炭的清洗作用;超声能使改性剂在孔道中良好分布,提高改性活性炭对CO_2气体的吸附性能.改性过程中,超声时间过长会导致孔道坍塌并颗粒破碎,致使吸附性能下降.     

电荷与应变协同调控g-C9N7膜对CO2吸附和渗透特性的研究

为解决温室气体减排领域中二氧化碳(CO₂)地质埋存的关键问题,采用分子模拟手段(巨正则蒙特卡洛模拟、分子动力学模拟、密度泛函理论),对CO₂在SiO₂纳米狭缝中的吸附扩散行为进行了理论计算研究。研究表明：在SiO₂纳米狭缝中,CO₂吸附量随着压力的升高和温度的降低而增强,且亲水性的SiO₂纳米狭缝比亲油性SiO₂纳米狭缝的CO₂吸附量大;随着狭缝宽度的增加,CO₂吸附和扩散能力也逐渐增强。此外,根据吸附能、吸附高度和电荷转移量等参数分析了CO₂在不同润湿性SiO₂表面吸附的微观机理。研究结果为理解不同岩石物性的SiO₂狭缝表面与CO₂的相互作用机制提供了分子水平上的见解,这对于解释CO₂分子在盖层中的吸附机理以及在地层中的长期封存具有重要的理论指导意义。

     

MWCNTs负载MoBiSx纳米颗粒电催化还原CO2的性能研究

采用简单的水热法制备了多壁碳纳米管（MWCNTs）负载钼铋双金属硫化物（MoBiS_x）纳米颗粒复合催化剂,目的是对MoBiS_x的形貌尺寸以及低电导率进行改性,提高其在[EMIM]BF₄-H₂O电解液中的电催化还原CO₂性能。结果表明：尺寸约为10 nm～15 nm的MoBiS_x纳米颗粒均匀的负载在MWCNTs表面上。与MoBiS_x纳米颗粒催化剂相比,复合催化剂在[EMIM]BF₄-H₂O电解液中表现出更加优异的电催化还原CO₂的活性和选择性。进一步研究了复合催化剂在[EMIM]BF₄-H₂O电解液中水含量对电催化还原CO₂性能的影响。随着水含量的增加,还原电流密度逐渐增大。在[EMIM]BF₄-H₂O（40%）电解液中复合催化剂的催化电位为-0.3 V vs S...