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炭分子篩的孔徑分布研究

 更新時間:2018-08-31 點擊量:2401

 

前言
炭分子篩(Carbon molecular sieve,CMS)是20世紀60 年代發展起來的新型炭質吸附劑,主要由1nm 以下呈狹縫狀的微孔和少量大孔組成,孔徑分布較窄,一般在0.3~1.0 nm 之間。炭分子篩廣泛應用于
吸附分離和凈化領域,主要作為變壓吸附空分制氮的吸附劑[1]。炭分子篩的性能很大程度上受孔徑分布(Poresize distribution,PSD)的影響。如何準確地確定炭分子篩的孔徑分布,特別是確定微孔的孔徑分布(<2nm)是眾多研究者所關注的課題。在眾多的測定方法中,氣體吸附法因其直接、簡單易行的特點成為廣泛的孔結構表征手段[2]。吸附質的選擇是表征炭分子篩孔徑分布的關鍵。目前常用的吸附質是N2 和CO2[3]。N2 吸附的優點是其可達到的相對壓力范圍大(10- 8~1),這就使得N2 可以在整個孔隙率范圍內吸附,從而可以測試到全范圍的孔尺寸分布。當然,N2 吸附也有其缺點,那就是由于77 K 低溫下N2 分子動能低,使得N2分子擴散到窄的微孔內(孔徑小于0.7 nm)所需的時間很長,吸附平衡數據難以準確測定。CO2 作為吸附質用來表征炭質材料也有很多報道[4- 5]。CO2 吸附表征的優勢在于:(1) 由于其測定溫度一般為273 K或室溫,分子動能較大,克服了氣體在微孔中的擴散阻力;(2) CO2 的飽和蒸汽壓大于N2 ( 273 K)下,CO2的飽和蒸汽壓為3.394 7 MPa[6],所以相同的相對壓力范圍內,CO2 吸附表征的壓力比N2 高得多,因此CO2 吸附可降低對高真空的要求。測定吸附平衡數據后,可以利用理論模型來確定炭分子篩的PSD。比較成熟的理論模型有HK 模型[7]、D- R 方程[8]以及密度泛函理論(DFT)和巨正則系綜蒙特卡洛模擬(GCMC)等方法[9- 10]。其中HK 模型和D- R 方程有一定的理論基礎,計算方便,因而得到了較廣泛的應用。本文采用容積法測定了CO2 在兩種炭分子篩上的吸附平衡數據,通過HK 模型和D- R 方程計算其孔徑分布,并進行了對比分析.

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