Адсорбция метана на нанопористом углеродном материале

Аннотация

В процессе глобального перехода к устойчивой низкоуглеродной экономике две основные низкоуглеродные энергетические технологии, а именно хранение метана и улавливание метана, сталкиваются с одной и той же проблемой, а именно с отсутствием эффективных адсорбентов. Углеродные материалы имеют потенциальную ценность в области хранения адсорбированных газов из-за их высокой удельной поверхности, хорошей пористости и регулируемой структуры пор.

В этом исследовании нанопористый углеродный материал (НУМ12) был синтезирован с использованием химической активации (KOH) полимерного прекурсора для получения эффективного адсорбента метана. Синтезированный НУМ обладал высокими значениями удельную поверхности по БЭТ
(2722 м²/г), общим объемом пор (1.08 см³/г) и объемом микропор (0.89 см³/г). На синтезированном НУМ исследована адсорбция метана при температурах 298.15, 313.15, 323.15 К и давлении до 100 бар. Максимальная величина адсорбции метана на НУМ достигает 14.32 ммоль/г при 298.15 К и 100 бар.

Изотермы адсорбции метана на НУМ были проанализированы с использованием моделей Ленгмюра и Фрейндиха на основе экспериментов по адсорбции в интервале температур 298.15-323.15 К. Результаты показывают, что адсорбция метана на НУМ в диапазоне температур и давлений, рассматриваемых в этом исследовании, соответствуют адсорбции Ленгмюра, что подтверждается хорошей корреляцией (значения R²=0.99). Установлено, что средние относительные отклонения между экспериментальными результатами и результатами, полученными с помощью модели Ленгмюра составляют менее 10%

Адсорбционная способность НУМ по метану уменьшается с повышением температуры. При 298.15 К изостерическая теплота адсорбции составляет ~15 кДж/моль, что соответствует физической адсорбции метана. Значение изостерической теплоты адсорбции уменьшается с увеличением степени заполнения адсорбатом (метан) поверхности НУМ, что, по-видимому, связано с энергетической неоднородной поверхностью адсорбента по отношению к метану. Молекулы метана первоначально занимают центры с наиболее высокой энергией адсорбции (микропоры). Дальнейший рост адсорбции и уменьшение теплоты связаны с заполнением пор с менее выраженной энергией, а также с нарастанием энергии отталкивания.

Данные изотерм адсорбции и термодинамические параметры, оцененные в настоящем исследовании, полезны для проектирования систем хранения газа на основе адсорбции.