椰壳活性炭固载离子液体及其在填充床中吸附净化沼气中CO_2的研究

【摘要】：在椰壳活性炭上原位成功合成离子液体并应用于填充床中的沼气净化实验。吸附剂使用傅里叶红外检测仪(FT-IR)N2吸附-脱附,X射线光电子能谱(XPS)以及热重分析(TG)表征手段进行表征。通过T-IF以及XPS表征结果说明季铵盐及咪唑类离子液体成功制备并固载到椰壳活性炭上。吸附剂AC-[N3444][Br]的分解温度约为320℃,而吸附剂kC-[BPIM][Br]和AC-[EPIM-NH2][Br]的分解温度约为350℃,与单纯的离子液体相比较,固载后离子液体的热稳定性有了一定的提高。椰壳活性炭的BET比表面积为～551m2/g,平均孔径和孔体积分别为1.64nm及0.363cm3/g。固载离子液体后BET比表面积、孔径和孔体积都略有下降。使用元素分析仪测量吸附剂中N元素的含量,通过N元素含量可以计算出活性炭中离子液体的固载量。 在沼气净化过程中阴离子类型至关重要,遵循以下顺序Br-][BF4][PF6-][Tf2N1。其中阴离子为[Tf2N-]的离子液体对C02吸附能力最好,含[Tf2N-]的离子液体是沼气净化过程中的最佳选择。AC-[N3444][Tf2N]、AC-[BPIM][Tf2N]以及AC-[EPIM-NH2][Tf2N];这三种负载型离子液体吸附剂在20℃、0.5MPa下的饱和吸附量分别为2.40、2.58以及2.95mmol/g。除去活性炭本身吸附的CO2含量计算出单独离子液体对CO2的吸附量,AC-[N3444][Tf2N];和.VC-[BPIM][Tf2N]中1mol的离子液体能够吸附0.63和0.91mol的CO2,然而由于吸附剂AC-[EPIM-NH2][Tf2N]和CO2既存在物理吸附也存在化学吸附使得吸附值增加到1.50mol。固载离子液体后活性炭在沼气中对CO2的选择性有了很大的提高。由于吸附剂AC-[N3444]和AC-[BFIM]类型的吸附剂对CO2的吸附过程只存在物理吸附,因此,它们的等容吸附热分布在23-28KJ/mol。而对于含有伯胺的.kC-[EPIM-NH2]吸附剂,由于伯胺与CO2的化学作用使得吸附热增大到65-71KJ/mol。 由于应用于汽车燃料的沼气中CO2的含量应小于3%,所以在沼气净化过程中研究当填充床出口浓度达到3%时更为重要,在此过程中流速的影响非常大。当沼气流速为50mL/minl时吸附剂AC-[N3444][Tf2N]、AC-[BPIM][Tf2N]以及AC-[EPIM-NH2][Tf2N]在20℃、0.5MPa下的Adsorption capacity(3%CO2)量分别为1.34、1.44以及1.95mmol/g、分别是相应的饱和吸附量的65.0%、63.0%以及71.5%。在此过程中对C02的选择性也都有相应的提高。吸附剂.AC-[N3444][Tf2N]和AC-[BPIM][Tf2N]的再生温度为60℃,而AC-[EPIM-NH2][Tf2N]的再生温度为80℃。在填充床中检测吸附剂的再生能力,经过循环10次吸附-脱附后,固载型离子液体依然能够展现出良好的吸附能力。 【关键词】：活性炭 离子液体 填充床 沼气净化
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ424
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-9
• 前言9-10
• 第一章 文献综述10-23
• 1.1 沼气资源10
• 1.1.1 沼气应用10
• 1.2 CO-2的吸收方法10-14
• 1.2.1 溶剂吸收法10-12
• 1.2.2 低温蒸馏法12
• 1.2.3 吸附法12
• 1.2.4 生物法12-13
• 1.2.5 膜分离法13
• 1.2.6 电化学法13
• 1.2.7 离子液体法13-14
• 1.3 离子液体14-18
• 1.3.1 离子液体概念及其历史发展14-15
• 1.3.2 离子液体的制备方法15-16
• 1.3.3 离子液体应用16-17
• 1.3.4 离子液体吸附CO_2原理17-18
• 1.4 载体18-20
• 1.5 选题思想和主要研究内容20-23
• 1.5.1 选题思想20-21
• 1.5.2 主要研究内容21-23
• 第二章 主要实验试剂与仪器设备23-25
• 2.1 主要实验试剂23
• 2.2 主要仪器设备23-25
• 第三章 椰壳活性炭负载咪唑类离子液体净化沼气25-40
• 3.1 AC-[BPIM][Br]及AC-[EPIM-NH_2][Br]的制备25-26
• 3.1.1 椰壳活性炭可控氧化25
• 3.1.2 制备嫁接咪唑类离子液体25-26
• 3.1.3 阴离子交换26
• 3.2 吸附剂的表征26
• 3.3 沼气在填充床反应器中的净化26-27
• 3.4 结果与讨论27-38
• 3.4.1 红外分析28-29
• 3.4.2 XPS能谱29-31
• 3.4.3 吸附剂N_2吸附-脱附31
• 3.4.4 吸附剂的热稳定测试31-32
• 3.4.5 沼气在填充床反应器中的净化研究32-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第四章 椰壳活性炭负载季铵盐离子液体净化沼气40-49
• 4.1. AC-[N_(3444)][Br]的制备40
• 4.1.1 椰壳活性炭可控氧化40
• 4.1.2 制备嫁接季铵盐离子液体40
• 4.1.3 阴离子交换40
• 4.2 吸附剂的表征40
• 4.3 沼气在填充床反应器中的净化40
• 4.4 结果与讨论40-47
• 4.4.1 XPS谱图及元素分析41-43
• 4.4.2 N_2物理吸附-脱附43
• 4.4.3 吸附剂热稳定分析43-44
• 4.4.4 沼气净化研究44-47
• 4.5 本章小结47-49
• 第五章 吸附剂再生性和稳定性评估49-51
• 第六章 结论与展望51-53
• 6.1 结论51
• 6.2 展望51-53
• 科研成果53-54
• 参考文献54-61
• 致谢61

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