高壓氣體吸附儀是一種用于在高壓環(huán)境下精準(zhǔn)測(cè)定固體材料(如活性炭、分子篩、金屬有機(jī)框架材料MOFs、多孔聚合物等)對(duì)氣體吸附性能的專業(yè)分析設(shè)備,廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、能源存儲(chǔ)(如氫氣/甲烷存儲(chǔ))、環(huán)境治理(如CO?捕獲)、催化研究等領(lǐng)域,核心功能是通過(guò)監(jiān)測(cè)吸附過(guò)程中的壓力、溫度與氣體消耗量變化,獲取材料的吸附等溫線、吸附動(dòng)力學(xué)、孔徑分布等關(guān)鍵數(shù)據(jù),為材料性能評(píng)估與應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。
從工作原理來(lái)看,高壓氣體吸附儀主要基于“體積法”或“重量法”設(shè)計(jì)。體積法通過(guò)精確控制和測(cè)量樣品罐與參考罐的體積、壓力變化,計(jì)算氣體被材料吸附的量,適用于中高壓(通常可達(dá)1-30MPa)下的多數(shù)氣體吸附測(cè)試;重量法則利用高精度電子天平直接測(cè)量樣品吸附氣體后的重量變化,能避免體積法中死體積校準(zhǔn)的誤差,更適合超高壓(可達(dá)100MPa以上)或低沸點(diǎn)氣體(如氫氣)的吸附測(cè)試。
高壓氣體吸附儀的應(yīng)用范圍:
一、能源存儲(chǔ)與利用
天然氣(ANG)存儲(chǔ):
應(yīng)用:評(píng)估活性炭、金屬有機(jī)框架材料(MOFs)、共價(jià)有機(jī)框架材料(COFs)、沸石等多孔材料在35-200 bar壓力下對(duì)甲烷(CH?)的吸附能力。
目的:開(kāi)發(fā)能在較低壓力下(相比CNG的200-250 bar)安全、高效存儲(chǔ)甲烷的吸附式天然氣(ANG)系統(tǒng),用于天然氣汽車,提高安全性和儲(chǔ)氣密度。
氫氣(H?)存儲(chǔ):
應(yīng)用:研究新型多孔材料(如MOFs,COFs,碳納米材料)在1-100 bar(甚至更高)和低溫(77K)或室溫下對(duì)氫氣的吸附等溫線。
目的:探索超越傳統(tǒng)高壓氣態(tài)(350-700 bar)和低溫液態(tài)(-253°C)存儲(chǔ)的固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù),尋求更高體積和重量?jī)?chǔ)氫密度的材料,推動(dòng)氫燃料電池汽車發(fā)展。
頁(yè)巖氣與煤層氣(CBM)研究:
應(yīng)用:測(cè)量頁(yè)巖、煤巖等天然多孔介質(zhì)對(duì)甲烷的高壓吸附等溫線(可達(dá)幾十MPa)。
目的:
評(píng)估頁(yè)巖氣/煤層氣藏的原始含氣量和可采儲(chǔ)量。
研究吸附/解吸機(jī)理,優(yōu)化水力壓裂和排采工藝。
預(yù)測(cè)氣井產(chǎn)量和衰減規(guī)律。
二、碳捕獲、利用與封存(CCUS)
燃燒后碳捕獲:
應(yīng)用:測(cè)試多孔材料(如胺功能化材料、MOFs、沸石、活性炭)在0.1-1 bar(煙道氣分壓)到中高壓下對(duì)二氧化碳(CO?)的選擇性吸附能力。
目的:篩選和開(kāi)發(fā)高效、低成本、可再生的吸附劑,用于從燃煤/燃?xì)怆姀S煙氣中捕集CO?。
直接空氣捕獲(DAC):
應(yīng)用:研究材料在極低CO?分壓(~0.04%)下的吸附性能,雖然壓力不高,但高壓吸附儀的高靈敏度和精確控制能力同樣適用。
目的:開(kāi)發(fā)能直接從大氣中捕集CO?的技術(shù)。
地質(zhì)封存評(píng)估:
應(yīng)用:測(cè)量地下咸水層、枯竭油氣藏或煤層巖石對(duì)超臨界CO?的吸附能力。
目的:評(píng)估CO?地質(zhì)封存的安全性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,預(yù)測(cè)CO?在地層中的遷移和滯留(吸附)行為。
三、先進(jìn)材料研發(fā)與表征
新型多孔材料開(kāi)發(fā):
應(yīng)用:對(duì)新合成的MOFs、COFs、多孔聚合物、分級(jí)多孔碳等材料進(jìn)行全面的高壓氣體吸附表征(CH?,H?,CO?,N?等)。
目的:評(píng)價(jià)其作為能源氣體存儲(chǔ)或分離材料的潛力,建立材料結(jié)構(gòu)(孔徑、比表面積)與吸附性能之間的構(gòu)效關(guān)系。
材料性能優(yōu)化:
應(yīng)用:通過(guò)高壓吸附測(cè)試,比較不同合成方法、后處理(如活化、摻雜、官能團(tuán)化)對(duì)材料吸附性能的影響。
目的:指導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提升其吸附容量、選擇性和循環(huán)穩(wěn)定性。
四、工業(yè)氣體分離與純化
變壓吸附(PSA)與真空變壓吸附(VPSA):
應(yīng)用:獲取關(guān)鍵氣體對(duì)(如CO?/N?,CO?/CH?,CH?/N?,H?/CH?)在高壓下的吸附等溫線和選擇性數(shù)據(jù)。
目的:
篩選和設(shè)計(jì)高效的吸附劑。
為PSA/VPSA工藝的模擬和優(yōu)化提供核心熱力學(xué)數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)分離效率和能耗。
五、基礎(chǔ)科學(xué)研究
吸附機(jī)理研究:
應(yīng)用:在寬壓力和溫度范圍內(nèi)測(cè)量吸附等溫線,結(jié)合模型擬合(如D-A,D-R方程)計(jì)算吸附熱、微孔填充能等。
目的:深入理解氣體分子與多孔材料表面的相互作用機(jī)制(物理吸附為主)。
超臨界流體吸附:
應(yīng)用:研究在臨界溫度以上(如CO?在31°C以上),氣體處于超臨界狀態(tài)時(shí)的吸附行為。
目的:理解超臨界流體在受限空間(微孔)內(nèi)的相行為和密度增強(qiáng)效應(yīng),對(duì)CCS和超臨界萃取有重要意義。
六、其他應(yīng)用
惰性氣體吸附:使用高壓Ar或Kr吸附在低溫(87K,77K)下,結(jié)合先進(jìn)的分析模型(如NLDFT,QSDFT),可精確表征材料的微孔結(jié)構(gòu)(<2 nm),這是常規(guī)常壓N?吸附難以實(shí)現(xiàn)的。
安全評(píng)估:研究高壓氣體在材料中的吸附/解吸動(dòng)力學(xué),評(píng)估儲(chǔ)氣系統(tǒng)的安全性和響應(yīng)速度。