Стресс-эффект адсорбционной деформации углеродного адсорбента на основе каменноугольного сырья при адсорбции метана

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты экспериментальных исследований деформации микропористого углеродного адсорбента на основе каменноугольного сырья АР-В при адсорбции метана в области сверхкритических температур при давлениях до 10 МПа. Показано, что в начальной области заполнений адсорбент испытывает деформационный стресс-эффект зависящий от температуры. Предложена модель, для объяснения наблюдаемых деформационных эффектов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Школин

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: shkolin@phyche.ac.ru
Россия, Москва, 119071, Ленинский проспект, 31, к.4

А. А. Фомкин

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Email: shkolin@phyche.ac.ru
Россия, Москва, 119071, Ленинский проспект, 31, к.4

И. Е. Меньщиков

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН

Email: shkolin@phyche.ac.ru
Россия, Москва, 119071, Ленинский проспект, 31, к.4

Список литературы

  1. Meehan F.T. The expansion of charcoal on sorption of carbon dioxide //Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. 1927. Т. 115. № 770. С. 199–207.
  2. Bangham D.H., Fakhoury N. The expansion of charcoal accompanying sorption of gases and vapours //Nature. 1928. Т. 122. № 3079. С. 681–682.
  3. Gor G.Y., Huber P., Bernstein N. Adsorption-induced deformation of nanoporous materials A review // Applied Physics Reviews. 2017. Vol. 4(1). 011303/24.
  4. Gor G.Yu., Neimark A.V. Adsorption-Induced Deformation of Mesoporous Solids // Langmuir.2010. V. 26. № 16. P. 13021–13027.
  5. Coudert F.-X., Boutin A., Fuchs A.H., Neimark A.V. Adsorption Deformation and Structural Transitions in Metal-Organic Frameworks: From the Unit Cell to the Crystal // J. Phys. Chem. Lett. 2013. V. 4. P. 3198–3205.
  6. Цивадзе А.Ю. и др. Адсорбционные системы аккумулирования метана на основе углеродных пористых структур //Успехи химии. 2018. Т. 87. № 10. С. 950–983.
  7. Bangham D.H. The Gibbs adsorption equation and adsorption on solid // Trans. Faraday Soc. 1937. V. 33. P. 805–809.
  8. Беринг В.П., Красильникова О.К., Серпинский В.П. Термодинамическая теория изменения размеров микропористых адсорбентов при адсорбции // Докл. АН СССР. 1976. Т. 231. № 2. С. 373–376.
  9. Lakhanpal M.L., Flood E.A. Stresses and strains in adsorbateadsorbent systems: IV. Contractions of activated carbon on adsorption of gases and vapors at low initial pressures // Canadian journal of chemistry. 1957. V. 35. № 8. P. 887–899.
  10. Lane J.E., Spurling T.H. Monte Carlo Simulation of the Effects of Adsorption on Interparticle Forces // Aust. J. Chem. 1980. V. 33. № 2 P. 231−239. [Snook, I. K.; Vanmegen, W. Solvation Forces in Simple Dense Fluids // J. Chem. Phys. 1980. V. 72 (5). P. 2907−2913].
  11. Balbuena P.B., Berry D., Gubbins K.E. Solvation Pressures for Simple Fluids in Micropores // J. Phys. Chem. 1993. Vol. 97(4). P. 937−943
  12. Ravikovitch P.I., Neimark A.V., Density functional theory model of adsorption deformation // Langmuir. 2006. V. 22. P. 10864−10868.
  13. Русанов А.И. Сорбострикция и эффект Ребиндера //Коллоидный журнал. 2007. Т. 69. № 6. С. 861–862.
  14. Русанов А.И. Хемомеханические эффекты в нанопористых телах //Доклады Академии наук. Федеральное государственное бюджетное учреждение "Российская академия наук". 2006. Т. 406. № 6. С. 776–779.
  15. Пулин А.Л., Фомкин А.А. Термодинамика адсорбции диоксида углерода на цеолите NaX в широких интервалах давлений и температур // Изв. АН. Сер.хим. 2004. № 8. C. 1570–1573.
  16. Shkolin A.V., Men'shchikov I.E., Khozina E.V., Yakovlev V.Yu., Simonov V.N., Fomkin A.A. // Deformation of microporous carbon adsorbent Sorbonorit-4 during methane adsorption // Journal of Chemical & Engineering Data. 2022. V. 67. P. 1699–1714.
  17. Школин А.В., Фомкин А.А. Деформация микропористого углеродного адсорбента АУК, стимулированная адсорбцией метана // Коллоидный журнал. 2009. Т. 71. № 1. С. 116–121.
  18. Потапов С.В., Школин А.В., Фомкин А.А. Деформация микропористого углеродного адсорбента АУК при адсорбции криптона // Коллоидный журнал. 2014. Т. 76. № 3. С. 382–382.
  19. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. М.: Металлургия, 2000. 352 с.
  20. Набиулин В.В., Фомкин А.А., Школин А.В., Твардовский А.В. Волновая сорбострикция рекуперационного углеродного адсорбента АР-В при адсорбции паров органических веществ // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2015. Т. 51. № 1. С. 16–23.
  21. Школин А.В. , Фомкин, А.А., Меньщиков И.Е., Пулин А.Л., Яковлев В.Ю. Адсорбционная и термическая деформация микропористого углеродного адсорбента при адсорбции н-октана // Коллоидный журнал. 2019. Т. 81. № 6. С. 795–802.
  22. Набиулин В.В., Фомкин А.А., Твардовский А.В. Деформация углеродного адсорбента АР-В при адсорбции бензола // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2012. Т. 48. № 4. С. 333.
  23. Bell I.H., Wronski J., Quoilin S., Lemort V. // Pure and pseudo-pure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp // Ind. Eng. Chem. Res. 2014. V. 53. P. 2498–2508.
  24. Poling B.E., Prausnitz J.M. and O’Connell J.P., The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, New York, 5th edn, 2001.
  25. Дубинин М.М. Адсорбция и пористость. М.: ВАХЗ, 1972. 127 с.
  26. Brunauer S., Emmett P.H., Teller E. Adsorption of gases in multimolecular layers // J. Am. Chem. Soc. 1938. V. 60. P. 309–319.
  27. Rouquerol J., Llewellyn P., Rouquerol F. Is the BET equation applicable to microporous adsorbents // Stud. Surf. Sci. Catal. 2007. V. 160. P. 49–56.
  28. Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity, Academic Press, London, New York, 1982, 303 p.
  29. Ravikovitch P.I., Neimark A.V. Calculations of Pore Size Distributions in Nanoporous Materials from Adsorption and Desorption Isotherms // Studies in Surf. Sci. & Catal. 2000. V. 129. P. 597–606.
  30. Патент РФ № 2732199 “Стенд для измерения адсорбции газов и паров гравиметрическим методом и способ его эксплуатации” авторов Школин А.В., Фомкин А.А., Меньщиков И.Е., Харитонов В.М., Пулин А.Л. // 2020. Опубликовано: 14.09.2020 Бюл. № 26.
  31. Школин А.В., Фомкин А.А. Измерение адсорбции энергетических газов на углеродных нанотрубках для систем альтернативной энергетики // Измерительная техника. 2018. № 4. C. 56–61.
  32. ГОСТ 34100.3–2017/ISO/IEC Guide 98–3:2008 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения
  33. Фомкин А.А., Школин А.В., Меньщиков И.Е. и др. Измерение адсорбции метана при высоких давлениях для систем альтернативной энергетики // Измерительная техника. 2015. № 12. С. 5558.
  34. Школин А.В., Меньщиков И.Е., Фомкин А.А. Метод измерения деформации нанопористых материалов, стимулированной адсорбцией газов и паров // Российские нанотехнологии. 2022. Т. 17. № 6. С. 858–864.
  35. Shkolin A. V. et al. Isotropic and anisotropic properties of adsorption-induced deformation of porous carbon materials //Adsorption. 2023. С. 1–17. https://doi.org/10.1007/s10450-022-00370-y
  36. Школин А.В., Фомкин А.А. Описание адсорбционно-стимулированной деформации микропористых адсорбентов на основе обобщенного потенциала межмолекулярного взаимодействия 6-n // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2016. Т. 52. № 2. С. 135141.
  37. ГОСТ Р ИСО 11095–2007 Статистические методы. Линейная калибровка с использованием образцов сравнения (ISO 11095:1996. Statistical methods. Linear calibration using reference materials).
  38. Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V., Olivier J.P., et al. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report) // Pure and applied chemistry. 2015. V. 87. № 9–10. P. 1051–1069.
  39. Анучин К.М., Фомкин А.А., Коротыч А.П., Толмачев А.М. Адсорбционное концентрирование метана. Зависимость плотности адсорбата от ширины щелевидных микропор активированных углей // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2014. Т. 50. № 2. С. 156–160.
  40. Dubinin M.M., Plavnik G.M. Microporous structures of carbonaceous adsorbents // Carbon. 1968. V. 6. Is. 2. P. 183–192.
  41. Kowalczyk P. et al. Atomic-scale molecular models of oxidized activated carbon fibre nanoregions: Examining the effects of oxygen functionalities on wet formaldehyde adsorption // Carbon. 2020. V. 165. P. 67–81.
  42. Strelko V., Malik D.J., Characterization and metal sorptive properties of oxidized active carbon // J. Colloid Interface Sci. 2002. V. 250. P. 213–220.
  43. Gomis-Berenguer A., Velasco L.F., Velo-Gala I., Ania C.O., Photochemistry of nanoporous carbons: perspectives in energy conversion and environmental remediation // J. Colloid Interface Sci. 2017. V. 490. P. 879–901.
  44. Salame II, Bandosz T.J., Surface chemistry of activated carbons: combining the results of temperature-programmed desorption, Boehm, and potentiometric titrations // J. Colloid Interface Sci. 2001. V. 240. P. 252–258.
  45. Striolo A., Chialvo A.A., Cummings P.T., Gubbins K.E., Water adsorption in carbon-slit nanopores // Langmuir. 2003. V. 19. P. 8583–8591.
  46. Bulov M., Shen D., Jale S. Measrement of sorption equilibria under isosteric conditions. The principles, advantages and limitations// Applid Sorfesi Scainse. 2002. V. 196. P. 157–172.
  47. Школин A.В., Фомкин А.А., Яковлев B.Ю. Анализ изостер адсорбции газов и паров на микропористых адсорбентах // Известия Академии наук. Серия химическая. 2007. № 3. С. 380–385.
  48. Школин А.В., Фомкин, А.А., Цивадзе, А.Л. и др. Экспериментальное исследование и численное моделирование адсорбции метана на микропористом углеродном адсорбенте в докритической и сверхкритической областях температур // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2016. Т. 52. № 6. С. 563–571.
  49. Меньщиков И.Е. и др. Оптимизация структурно-энергетических характеристик адсорбентов для хранения метана //Известия Академии наук. Серия химическая. 2018. № 10. С. 1814–1822.
  50. Barrer R.M., Papadopoulos R. The sorption of krypton and xenon in zeolites at high pressures and temperatures. I. Chabazite // Proc. R. Soc. London. 1972. A326. P. 315–330.
  51. Findernegg G.H. Ordered Layers of Aliphatic Alcohols and Carboxylic Acids at the Liquid/Graphite Interface // J. Chem. Soc. Faraday Trans. I. 1973. № 6. P. 1069–1078.
  52. Ruthven D.M. Sorption of Oxygen, Nitrogen, Carbon monoxide, Methan and Binary Mixtures these Gases in 5A Molecular Sieve // AICHE Journal. 1976. V. 22. No. 4. P. 753–759.
  53. Myers A.L. Thermodynamics of adsorption phenomena // J. Non-Equilib. Thermodyn. 1986. V. 11. № 1/2. P. 35–49.
  54. Меньщиков И.Е. и др. Адсорбция метана на микропористых углеродных адсорбентах в области сверхкритических температур // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2015. Т. 51. № 4. С. 45–345.
  55. Толмачев А.М., Кузнецова Т.А., Годовиков И.А. Термодинамика адсорбции на микропористых адсорбентах при температурах выше критических // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2011. Т. 47. № 3. С. 227–231.
  56. Школин А.В., Потапов С.В., Фомкин А.А. Деформация микропористого углеродного адсорбента АУК, стимулированная адсорбцией ксенона // Коллоидный журнал. 2015. Т. 77. № 6. С. 802–806.
  57. Dubinin M.M., Plavnik G.M. Microporous structures of carbonaceous adsorbents // Carbon. 1968. V. 6. Is. 2. P. 183–192.
  58. Яковлев В.Ю., Школин А.В., Фомкин А.А. и др. Адсорбция неона в модельных щелевидных углеродных микропористых адсорбентах // Журнал физической химии. 2018. Т. 92. № 3. С. 444–450.
  59. Folman M., Yates D.J.C. Expansion-contraction effects in rigid adsorbents at low coverages // Transactions of the Faraday Society. 1958. V. 54. P. 429–440
  60. Пулин А.Л., Фомкин А.А., Синицын В.А. и др. // Изв. АН Сер. хим. 2001. № 1. C. 57.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изотермы адсорбции (светлые символы) – десорбции (зачерненные символы) азота при 77 K на микропористом углеродном адсорбенте АР-В в линейных и полулогарифмических координатах.

Скачать (71KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение микропор адсорбента АР-В по размерам. определенные по изотерме стандартного пара азота при 77 К при использовании DFT подхода для щелевидной модели пор [29].

Скачать (81KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Снимки электронной микроскопии поверхности адсорбента АР-В. Масштабные линейки: а – 50 мкм; б – 2 мкм.

Скачать (270KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость адсорбции метана СН4 в микропорах углеродного адсорбента АР-В от давления в полулогарифмических координатах при температурах Т, К: 1 – 213, 2 – 243, 3 – 273, 4 – 293, 5 – 333 и 6 – 393 K. Зачерненные символы – экспериментальные данные при давлениях до атмосферного. Темные символы – экспериментальные данные при высоких давлениях. Светлые символы – величины адсорбции определенные из свойства линейности изостер адсорбции. Линии – расчет на основе теоретического подхода [49], уравнение (2).

Скачать (164KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость относительной линейной деформации углеродного адсорбента АР-В от давления метана C. 4 при температурах T, K: 1 – 213, 2 – 243, 3 – 273, 4 – 293, 5 – 313, 6 – 353 и 7 – 393. a – во всем исследованном интервале давлений; b – начальная область зависимости. Символы – экспериментальные данные; линии – сплайн-аппроксимация. Светлые символы – деформация в процессе адсорбции. Закрашенные/жирные символы – деформация в процессе десорбции. Планки (на кривой 6) – расширенная неопределенность измерения.

Скачать (342KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость относительной линейной деформации микропористого углеродного адсорбента АР-В от адсорбции метана при температурах T, К: 1 – 213; 2 – 243; 3 – 273; 4 – 293; 5 – 313; 6 – 353; 7 – 393. Символы – экспериментальные данные; линии – сплайн аппроксимация. Пунктирная линия – величина адсорбции, соответствующая заполнению одна молекула в микропоре [35].

Скачать (158KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Температурная зависимость заполнения микропор адсорбента АР-В при величине относительной деформации равной нулю, или смене знака деформации. Символы – параметры, определенные по экспериментальным данным; Закрашенные символы – параметры определенные линейной аппроксимацией; Сплошная линия – линейная интерполяция; Пунктирная линия – линейная экстраполяция.

Скачать (84KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024