混配体构筑的金属-有机框架及其水蒸气吸附性能研究

采用4,4',4"-三羧基三苯胺和吡嗪作为混合配体,通过溶剂热法成功合成了一例多孔镍金属-有机框架(MOF)。对所得MOF的结构、形貌、相纯度和孔隙性质进行了详细表征,并考察了其吸附水蒸气的性能。测试结果显示,25℃条件下该MOF的水蒸气等温吸附曲线呈现S型,突跃起点的相对压力P/P 0为0.37,吸附量在P/P 0=0.4时达到0.41 g/g,脱附曲线与吸附曲线之间未见明显回滞现象。通过静电纺丝技术,将MOF粉末制备成膜,实际环境下的吸附测试结果显示,该MOF在40%相对湿度(21.5℃)下的水吸附量为0.40 g/g,且在75℃或阳光照射下短时间内可完成吸附-脱附循环。经过10次水吸附-解吸循环后,该材料能够保持初始的吸水性能。

黄土坡滑坡滑带土氮气与水蒸气吸附试验研究

研究滑坡滑带土吸附特性对滑坡稳定性评价和滑坡防治设计具有重要意义。为了研究黄土坡滑坡滑带土在水蒸气和氮气吸附质环境下的吸附特性,采用全自动比表面积和孔径分析仪,对105℃烘干和真空冷冻干燥后的滑带土在293 K条件下进行水蒸气等温吸附试验,在77 K条件下进行氮气等温吸附试验。分别采用BET理论和Frenkel-Halsey-Hill(FHH)理论计算了滑带土水蒸气吸附和氮气吸附的比表面积和孔隙分形维数。研究结果表明:采用水蒸气吸附法测得的滑带土比表面积比采用氮气吸附法测得的比表面积大,且单位质量的滑带土对水蒸气的吸附量比氮气的吸附量多。说明水蒸气分子较小,可以进入微孔隙,由于水蒸气具有极性,可吸附在黏土矿物表面和晶层间,使黏土矿物表面阳离子水化,使吸附结合水表面更平滑。氮气分子较大,不能进入所有水蒸气可以进入的孔隙,与黏土颗粒作用力非常弱,且氮气分子可以进入的孔隙的表面似乎更不均匀。烘干样中黏土形成氢键的能力减小,导致其吸附水蒸气的能力弱于冻干样。

生物质热解半焦特性及其水蒸气吸附规律

选择杨木和松木两种木材作为热解原料，在常压下250～550℃内选取4个温度进行热解，并对生物半焦的性质进行分析。通过对生物半焦比表面积、表面官能团、孔隙率、氧碳比、氮碳比等性质的分析，研究热解得到的生物质半焦水蒸气吸附的影响规律。研究发现：生物半焦对水蒸气的吸附并非由单一性质所决定，而是受到比表面积、表面官能团、孔隙率等因素共同决定。

富有机质页岩-水蒸气吸附热力学与动力学特性——以鄂尔多斯盆地二叠系山西组页岩为例

吸附是页岩储层原生水赋存、外来水滞留的关键机理之一,而明确水在富有机质页岩中的吸附特性则对于进一步探讨页岩储层微观气水分布、深化页岩气富集成藏机理以及提高页岩气采收率等地质和工程问题具有重要的理论和实践意义。采用实验测试(页岩-水蒸气等温吸附)和理论模型(7种吸附热力学模型和4种吸附动力学模型)相结合的研究方法,对页岩-水蒸气吸附特性展开基础理论研究。结果表明:页岩-水蒸气吸/脱附等温线为典型的Ⅱ型曲线且吸/脱附滞后环一直延伸至极低相对压力区,而这与粘土矿物层间水难以脱出有关;GAB与Dent模型是描述页岩-水蒸气等温吸附曲线的最佳模型,反映水分子从单分子层吸附到多分子层吸附再到毛细凝聚的物理过程且存在两级吸附点位。当p/p 0<0.1,水分子主要吸附在基质孔隙表面的一级吸附点位上,形成单分子层吸附。随着相对压力继续增加(0.1<p/p 0<0.8),一级吸附点位开始逐渐吸附饱和,而水分子在二级吸附点位上的吸附量开始迅速增加,形成多分子层吸附。当p/p 0>0.8,一级吸附点位已基本达到饱和,而二级吸附点位对水分子吸附的贡献则继续增加,出现毛细凝聚现象;此外,页岩-水蒸气吸附的吉布斯自由能变、焓变以及熵变均为负值,表明吸附是一个自发、放热、熵减的过程;双一阶动力学模型是描述页岩-水蒸气吸附动力学过程的最佳理论模型,表明页岩-水蒸气吸附过程可划分为初期外扩散主导的表面吸附和后期内扩散所主导的孔隙吸附,并且内扩散是控制水蒸气吸附的速率控制步骤。

基于水蒸气吸附模型的低阶煤与高阶煤吸附水特性差异研究

掌握煤-水相互作用,对于煤层瓦斯抽采与灾害防治具有重要意义。为此,结合16种水蒸气吸附模型及煤的物化特性分析,开展了低阶煤和高阶煤的水蒸气吸附行为研究。结果表明:改进GAB模型能较好地表征煤吸附水行为,低变质程度长焰煤的第1层饱和吸附能力明显强于高变质程度无烟煤,而2煤样的多层水分子吸附特性差异较小;运用Dent模型和Freundlich模型分析发现,随着湿度的增加,煤吸附水行为是单层吸附、多层吸附、毛细凝聚的依次演变过程;低阶煤与高阶煤的水吸附行为差异与2种煤的含氧官能团数量和孔隙发育程度密切相关。

四川盆地海相页岩水蒸气吸附特征及其主控因素--以川南地区下志留统龙马溪组页岩为例

页岩普遍含水,深入认识页岩孔隙系统中的水分赋存机制对页岩气高效开发具有重要意义。以四川盆地川南地区下志留统龙马溪组页岩为研究对象,采用重量法真空水蒸气吸附仪获取水蒸气等温吸附-脱附曲线,结合页岩组分及孔隙结构参数,定量化研究页岩孔隙中水分的赋存特征,剖析影响水分吸附行为的主控因素。结果表明:页岩水蒸气等温吸附曲线呈现单层吸附、多层吸附和毛细凝聚3个典型阶段,水蒸气回滞环可划分为中-低相对压力阶段“上凸型”和全相对压力阶段“扁平型”,粘土矿物层间水滞留是中-低相对压力阶段回滞环形成的主要原因,采用GAB和FHH模型可有效描述页岩水蒸气吸附曲线形态特征;页岩吸附水量与粘土矿物含量呈显著正相关趋势,粘土矿物强亲水特性是影响水蒸气吸附量的主要因素,而水蒸气吸附量与碳酸盐矿物间存在负相关性,碳酸盐矿物含量高不利于水分赋存;对于富有机质页岩,水蒸气吸附能力与总有机碳含量(TOC)相关性较强,无机矿物与有机质组分共同控制着水分赋存行为,干酪根有机孔可为水分吸附提供赋存空间,且样品比表面积和孔容越大,水分吸附能力越强,但是对于TOC较低的粘土质页岩,粘土矿物与水分间的强物化作用是水分能够大量赋存的关键。

非饱和黄土的水蒸气吸附特性

为研究非饱和黄土对水蒸气的吸附特性,采用蒸汽平衡法开展不同湿度环境下的等温吸附试验,分析水蒸气在非饱和黄土表面的吸附行为,并探讨温度、矿物成分及含量、干密度对土体吸附性能的影响。结果表明:非饱和黄土水蒸气吸附量随相对湿度的增加而增加,整个过程包含了单层吸附、多层吸附和毛细凝聚3个阶段,且GAB模型可以用来描述非饱和黄土的水蒸气吸附过程;水蒸气吸附量与温度之间存在明显的负相关关系,相对湿度恒定,水蒸气吸附量随温度的升高而降低;非饱和黄土的水蒸气吸附与矿物组成密切相关,黏土矿物含量直接影响其水蒸气吸附能力;此外,干密度对水蒸气吸附量的影响可分为两个阶段,在相对湿度RH<80%时,水蒸气吸附量随干密度的增大而增大,直到进入毛细凝聚阶段,随着干密度的增大,水蒸气吸附量不再增大反而有所降低。

水蒸气在褐煤孔隙中的吸附行为:试验研究与分子动力学模拟

深入理解水在褐煤上的吸附是褐煤干燥提质技术的理论基础之一。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和低温氮吸附/脱附试验分析了褐煤的含氧官能团和孔隙结构,利用水蒸气吸附/脱附试验和分子动力学(MD)模拟探究了水蒸气在褐煤孔隙中的吸附行为。研究结果表明:褐煤样品丰富的含氧官能团和较多的微孔、中孔(孔径约2 nm),为水蒸气提供了吸附位点和吸附场所。水蒸气在煤样上的吸附过程可分为3个阶段。第1阶段,相对蒸气压(P/P_(0))<0.21,水分子直接吸附于含氧官能团上,此时的吸附速度最大;第2阶段(P/P_(0)=0.21~<0.71),水分子与已吸附的水分子相互作用,促使水团簇逐渐生长;第3阶段(P/P_(0)≥0.71),水团簇填充孔隙,并发生毛细凝聚,此时的吸附速度略大于第2阶段。根据Dent模型对水蒸气吸附等温线的拟合结果,吸附类型属于多级吸附,包括初级吸附(第1阶段)和次级吸附(第2、3阶段)。初级吸附能(-48.77 kJ/mol)显著大于水的液化热(E L=-43.99 kJ/mol),而次级吸附能(-42.28 kJ/mol)略小于E L,表明吸附于褐煤的水呈液态。水蒸气脱附过程存在明显的脱附迟滞现象,表明水蒸气吸附稳定,较难去除,其中高压迟滞发生在P/P_(0)≈0.4~0.9,主要由毛细凝聚和“墨水瓶”效应引起;而低压迟滞发生在P/P_(0)<0.4,由水分子与含氧官能团间强相互作用引起。MD模拟结果与水蒸气吸附/脱附等温线分析结果一致,水分子优先吸附在孔隙中,与孔隙壁的含氧官能团形成氢键,且其扩散系数(2.98×10^(-5)cm^(2)/s)与液态水的分子扩散系数相近。

不同硅铝比Beta分子筛水蒸气动态吸附性能研究

硅铝沸石分子筛在吸附领域应用广泛,其亲、疏水性能对吸附性能影响较大,但硅铝沸石分子筛在不同条件下的水蒸气动态吸附性能尚不明确。采用不同硅铝比(n(SiO_(2))/n(Al_(2)O_(3))=30、135或679)的Beta分子筛(Beta-30、Beta-135和Beta-679)作为研究对象,先采用XRD、FT-IR和TG等对其进行了表征,然后在不同温度和相对湿度(HR)下分别进行了Beta-30、Beta-135和Beta-679的水蒸气吸附容量和相应动力学分析。结果表明,当温度为25℃或35℃、H_R小于80%时,Beta-679的吸附容量最低。当温度为15℃、HR为5%~10%时,Beta-679的平衡速率最快。当温度为15℃、H_R为50%~70%时,Beta-30、Beta-135和Beta-679的平衡速率表现出较大区别(Beta-135的平衡速率远小于Beta-30和Beta-679的平衡速率)。

黏土矿物吸附水蒸气特征及对孔隙分布的影响

页岩原始储层普遍具有一定的含水饱和度,水分的赋存方式很大程度上影响页岩孔径分布特征、吸附能力和产气机制。选用页岩常见黏土矿物蒙脱石、高岭石和伊利石,开展不同湿度环境下的水蒸气吸附试验和低温氮气吸附-脱附试验,研究水分在黏土矿物上的吸附行为,揭示纳米孔隙中水的赋存方式和分布特征,分析含水饱和度对孔隙分布的影响。结果表明:GAB模型能够很好地描述黏土矿物水蒸气吸附曲线,随着湿度的增加,水蒸气的吸附机制存在单层-多层-凝聚的转变;黏土矿物中水分的赋存特征随孔隙尺度而变化,并进一步对孔隙分布产生影响,以蒙脱石为例,当含水饱和度接近50%时,水分以吸附水(束缚水膜)形式存在于大孔隙中,以凝聚水的形式存在于小于5 nm的孔隙中并导致该尺度孔隙从孔径分布曲线上消失,同时造成微小孔隙(孔径小于10 nm)贡献的比表面积下降幅度超过80%,而干燥情况下明显夸大了微小孔隙对页岩气的吸附及流动的作用。

轻烃水蒸气转化制氢装置换热流程优化

本文主要对轻烃水蒸气转化-变压吸附(PSA)氢气提纯装置中不同的原料预热流程进行能耗分析,从而为流程优化提供参考依据。

掺灰膨胀土表面吸附试验及吸水性验证

利用水蒸气吸附仪对石灰改性膨胀土进行水蒸气吸附试验,得出随着掺灰量的变化,膨胀土的吸水性先减小后增大,且在掺灰量为6%处取得最小值。为了研究引起膨胀土吸水性变化的主要原因,再对改性膨胀土进行氮气吸附试验,从而分析掺灰膨胀土孔隙结构的变化。研究发现,随着掺灰量的增加,BET微孔比表面积呈折线形变化,且在掺灰量为6%时取得最小值;中孔的累积容积随着掺灰量的增大而减小;随着掺灰量的增加,中孔孔径先增大后减小,且在掺灰量为6%处取得最大值。膨胀土的吸水性与中孔孔径的变化成负相关,且膨胀土的最佳掺灰量为6%。

含水条件下湘西北地区牛蹄塘组页岩吸附能力

选取湘西北地区页岩开展水蒸气吸附实验,分析影响水蒸气吸附的主控因素,并在此基础上,开展不同含水条件下的页岩甲烷吸附实验,分析水分对甲烷吸附的影响,评价不同含水条件下黏土矿物对页岩整体甲烷吸附的贡献。实验结果表明:高—过成熟阶段的页岩水蒸气吸附特征主要由黏土矿物控制,在低湿度条件下为单层吸附,在高湿度条件下,黏土纳米孔隙发生毛细凝聚;随着水分质量分数的增加,页岩的甲烷吸附能力逐渐下降并趋于稳定。进一步分析表明:在干燥条件下,黏土矿物对2块页岩实验样品的甲烷吸附贡献率可分别达37%和53%,而当水分质量分数达到实际储层情况(3.5%)时,黏土矿物对甲烷吸附能力的贡献率仅分别为12%和13%。因此,干燥条件下的实验将大大高估黏土对甲烷吸附的贡献,影响储量的评估。

水在活性炭上的吸附机理研究进展

活性炭被广泛应用在气体净化及空气湿度控制领域。而掌握水在活性炭内部的吸附机理是开发活性炭基功能材料的关键所在。本文综述了两种水在活性炭内部的吸附机理,分别是:毛细冷凝机理及簇增长机理。并从实验验证及计算机模拟验证两个方面详细地阐述了水在不同孔径及表面性质的活性炭上的吸附机理的研究进展,同时,还进一步讨论了其发展的方向和面临的困难。

冶金级氧化铝对氟化氢吸附行为研究

冶金级氧化铝是铝电解的基本原料,同时也是铝电解系列干法烟气净化系统的吸附剂,其对氟化氢吸附性能的好坏直接影响到烟气处理效果。在环保要求日益严格的当代,氧化铝的吸氟性能显得尤其重要。在不同温度下进行了拜耳法氧化铝对水蒸气和氟化氢的静态吸附实验,得出了氧化铝吸附水蒸气和氟化氢的行为规律以及温度和氧化铝中附着水含量对氟化氢吸附性能的影响规律。研究结果为优化铝电解干法烟气吸附系统提供数据支撑。

硅烷浸渍水泥基材料水蒸气脱吸附性能与有机物含量的表征

硅烷浸渍处理是混凝土常用的耐久性防护措施。使用异丁基三乙氧基硅烷浸渍处理水泥基材料,通过裂解-气相色谱-质谱(PGC-MS)表征浸渍于水泥基材料表面硅烷的特征结构与含量,发现其裂解碎片主要成分为异丁基;使用水蒸气等温脱吸附研究硅烷浸渍水泥基材料与水分相互作用特性,发现硅烷浸渍水泥基材料在低湿度区间的等温脱吸附性质没有显著变化,但浸渍处理有效抑制了相对湿度30%以上孔隙中水蒸气的凝聚和“墨水瓶效应”,同时使60%以上相对湿度区间的脱吸附速率常数显著增大。硅烷浸渍水泥基材料经历实验室氙灯老化10周后硅烷含量并未明显降低,其水蒸气脱吸附特性也未明显改变。

水泥基孔隙材料中水蒸气的等温吸附与脱附过程

分别采用水胶比为0.3、0.4和0.5的净浆和砂浆,结合文献模型对水泥基材料中水蒸气的等温吸附(脱附)平衡和动力学过程进行了拟合和参数分析。结果表明:多层吸附的Guggenheim-Andersen-de Boer(GAB)模型能够更好地描述水泥基材料中水蒸气的吸附(脱附)平衡以及吸附-脱附滞回,吸附过程的第1层吸附能常数大于脱附过程的,但单层吸附量小于脱附过程的,吸附-脱附滞回在相对湿度为65%~70%时最大;二阶模型最能够描述水泥基材料中水蒸气的吸附(脱附)动力学过程,二阶模型中的初始吸附速率要明显低于初始脱附速率,两者均随相对湿度的增大而显著增加;速率常数在吸附过程中随相对湿度减小而增大,在脱附过程中则随相对湿度减小而减小。

除湿材料研究进展

综述了固体干燥剂、液体除湿材料、复合干燥剂、膜除湿材料、智能湿度控制材料及其他除湿材料的研究进展。指出了复合吸附剂、多孔材料的改性、绿色可降解材料、新型功能合成材料的研制将是开发高性能实用除湿材料的方向。

真空热处理人工林落叶松木材吸湿性变化机理研究

热处理是一种环境友好型的木材改性方法,可提高木材的耐腐性和尺寸稳定性。研究以落叶松木材为试验材料,在处理温度200℃的条件下,对其进行了不同时间的真空热处理。利用动态水蒸气吸附(DVS)对热处理前后木材吸湿性的变化进行了表征,通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)分析了热处理前后木材化学组分和结构变化,通过化学变化分析阐明了热处理木材吸湿性变化的作用机制。结果表明:真空热处理落叶松木材的平衡含水率降低,热处理木材的平衡含水率随热处理时间的延长呈逐渐下降的趋势。结合红外光谱和光电子能谱发现,热处理后木材纤维素和半纤维素等化学成分发生降解,木质素发生交联缩合反应,使得吸湿性基团含量减少,碳元素与氧元素含量发生变化,氧碳比降低,从C原子的结合形式来看,热处理材的C1含量增加,C2和C3含量降低,这些化学变化使得热处理材的吸湿性降低。此外,真空热处理未破坏木材的结晶结构,木材的相对结晶度随真空热处理时间的延长而增大,结晶度的增大减少了纤维素分子链上吸水性基团的数量,从而降低了木材的吸湿性。

CaCl_2改性聚丙烯酸基调湿材料的制备与表征

分别用聚乙烯醇、凹凸棒土及CaCl2对聚丙烯酸基调湿材料进行改性,通过间歇式吸附/脱附进行吸/放湿动力学实验,采用TG-DTA和FTIR表征改性复合材料的热稳定性及其结构,讨论CaCl2改性对调湿材料吸放湿性能的影响。结果表明:有机高分子/无机盐/无机矿物3种调湿材料同时复合是一种制备高效调湿材料的有效方法;当相对湿度小于80%时,CaCl2改性可分别使复合材料的湿容量及吸湿速率增加1倍和5倍;CaCl2改性后复合材料的放湿速率得到了明显加强,且复合材料在350℃以下具有良好的热稳定性。