CH₄/N₂在椰壳活性炭上吸附平衡和动力学扩散机制

张进华^1,2,3，王鹏^2,3，李雪飞^2,3，李兰廷^2,3，车永芳^2,3，曲思建^2,3，梁大明^2,3，许德平¹

1. 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院2. 煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院3. 煤基节能环保炭材料北京市重点实验室

摘 要：为了明晰煤层气中CH₄和N₂在吸附剂上的平衡吸附、热力学和动力学扩散机制,以实验室制备椰壳活性炭为吸附剂,基于体积法测量了298～338 K,0～0.1 MPa下CH₄/N₂在制备活性炭上的吸附等温线,采用经典Langmuir和Sips模型拟合平衡吸附数据获得模型参数、热力学参数以及平均相对偏差。基于重量法分别测量了298 K,0～1.0 MPa下单组份和不同配比的CH₄-N₂二元组分的吸附等温线,评价了其分离性能和竞争吸附机制。采用电子天平测量了动态吸附速率曲线,利用W-M内扩散模型、Lagergren准一阶动力学模型和Makay二阶动力学模型对动态吸附数据拟合,从动力学的角度研究温度和压力对甲烷和氮气吸附的影响机制,探讨甲烷和氮气在活性炭吸附过程中的扩散控制步骤。研究结果表明:Langmuir和Sips模型对甲烷和氮气在活性炭上的平衡吸附结果均匹配性良好。相较而言,Sips模型考虑了活性炭表面非均一性,拟合效果更佳;通过计算吸附热发现CH₄/N₂在活性炭上的吸附为物理吸附过程且甲烷吸附热大于氮气。二元混合气体在活性炭表面存在竞争吸附,CH₄吸附起主导作用;混合气吸附量介于甲烷和氮气纯组分吸附量之间,且与纯组分吸附量不呈简单比例加和关系;吸附剂分离比达4.21,分离性能较好。表观动力学模型拟合结果说明CH₄和N₂在活性炭表面的动力学吸附过程受外扩散主要控制,其次为表面吸附过程,内扩散不是主要控制步骤;温度降低和压力增加有利于内扩散,不利于外扩散过程,升高温度和压力对扩散和吸附控制作用有不同程度的影响。

关键词：煤层气;活性炭;甲烷分离;吸附模型;动力学;