Synergiczny wpływ wymiaru nanoporów węgla aktywnego oraz utlenienia jego powierzchni na adsorpcję CO2 z mieszanin CH4/CO2

• Autorzy: Furmaniak S. , Terzyk A. P. , Gauden P. A. , Kowalczyk P. , Harris P. J. F

Warianty tytułu

EN

Synergetic Influence of Carbon Nanopore Size and Surface Oxidation on CO2 Adsorption from CO2/CH4 Mixtures

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W związku z rosnącym znaczeniem metanu jako paliwa rozdział mieszaniny CH4 i CO2 jest procesem ważnym z praktycznego punktu widzenia, ponieważ CO2 stanowi częstą domieszkę zarówno naturalnego gazu ziemnego, jak i biogazu. Jedną ze stosowanych w tym celu metod jest technika pressure swing adsorption, bazująca na różnicach w adsorpcji składników mieszaniny. Wśród stosowanych adsorbentów ważne miejsce zajmują węgle aktywne. Ponieważ pomiary doświadczalne adsorpcji mieszanin gazów są czasochłonne i wymagają zaawansowanej aparatury, symulacje komputerowe mogą stanowić prostszą i szybszą alternatywę. W pracy przedstawiono wyniki zastosowania symulacji Monte Carlo w wielkim zespole kanonicznym do modelowania adsorpcji i rozdziału mieszaniny CH4/CO2 na węglach aktywnych. Wykorzystano model węgla zaproponowany przez Harrisa i innych. Analizowano wpływ zarówno systematycznie zmieniającej się porowatości węgla, jak i obecności na jego powierzchni różnych ilości grup tlenowych. Wykazano, że oba czynniki wpływają na rozdział mieszaniny CH4/CO2. Spośród nich to utlenienie powierzchni węgla jest czynnikiem bardziej istotnym. Podczas gdy zwiększenie odsetka małych mikroporów (o średnicy poniżej 1 nm) pozwala na zwiększenie skuteczności rozdziału o kilkadziesiąt procent, to wprowadzenie grup karbonylowych prowadzi nawet do 2-3-krotnego wzrostu wartości równowagowego współczynnika rozdziału. Węgiel optymalny do rozdziału mieszaniny CH4/CO2 powinien nie tylko posiadać odpowiednio małe pory, ale również zawierać możliwie dużo grup powierzchniowych.

EN

The growing importance of methane as a fuel makes the separation of CH4 and CO2 mixtures an important process from a practical point of view. CO2 is a frequent impurity of natural gas and biogas. The pressure swing adsorption (PSA) technique is one of the methods used in practice to separate gas mixtures. This method is based on the differences in adsorption of mixture components. Activated carbons are important adsorbents used in the PSA process. Since experimental measurements of gas mixtures adsorption are time-consuming and require sophisticated equipment, computer simulations may be a simpler and faster alternative. The current work presents the results of the use of Monte Carlo simulations in grand canonical ensemble for modelling the adsorption and separation of CH4/CO2 mixture on activated carbons. The model of carbons proposed by Harris et al. is used. The influence of both the carbon porosity (systematically changing) and the presence of surface oxygen groups is analysed. The results show that the both factors affect the separation of CH4/CO2 mixture. Among them, the oxidation of carbon surface is a far more important factor. While the increase in percentage of the smallest micropores (having a diameter below 1 nm) makes it possible to increase separation efficiency by a few tens of percent, the introduction of carbonyl groups results even in 2-3 times greater value of the equilibrium separation factor. The optimal carbon for separation of CH4/CO2 mixtures should not only contain the appropriate small pores, but it should also have the high concentration of surface functionalities.

Słowa kluczowe

PL

wychwyt CO2; separacja adsorpcyjna; utlenione materiały węglowe; symulacje Monte Carlo

EN

CO2 capture; adsorptive separation; oxidized carbonaceous materials; Monte Carlo simulation

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 16, nr 2
• Strony: 245--254
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz.

Twórcy

autor

Furmaniak S.

• Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Wydział Chemii, Zespół Fizykochemii Materiałów Węglowych, ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń

autor

Terzyk A. P.

• Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Wydział Chemii, Zespół Fizykochemii Materiałów Węglowych, ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń

autor

Gauden P. A.

• Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Wydział Chemii, Zespół Fizykochemii Materiałów Węglowych, ul. Gagarina 7, 87-100 Toruń

autor

Kowalczyk P.

• Uniwersytet Technologiczny w Curtin, Wydział Chemii, Instytut Nanotechnologii P.O. Box U1987, Perth, WA 6845, Australia

autor

Harris P. J. F

• Uniwersytet w Reading, Centrum Zaawansowanej Mikroskopii, Whiteknights Reading RG6 6AF, Wielka Brytania

Bibliografia

• [1] Ruthven D.M., Farooq S., Knaebel K.S., Pressure Swing Adsorption, VCH Publishers, New York 1994.
• [2] Bałys M., Buczek B. Ziętkiewicz J., Dobór węglowych sit molekularnych do rozdziału wybranych mieszanin gazowych, Inż. Ochr. Środ. 2004, 7, 305-316.
• [3] Buczek B., Czepirski L., Adsorbenty węglowe - surowce, otrzymywanie, zastosowanie, Gospod. Surowc. Mineral. 2001, 17, 29-61.
• [4] Tańczyk M., Jaschik M., Warmuziński K., Janusz-Cygan A., Jaschik J., Wyznaczanie właściwości separacyjnych adsorbentów do procesów wydzielania ditlenku węgla ze strumieni spalin, Inż. Ap. Chem. 2010, 49, 82-83.
• [5] Biernat K., Gis W., Samson-Bręk I., Review of technology for cleaning biogas to natural gas quality, Combust. Engines 2012, 148, 33-39.
• [6] Marsh H., Rodriguez-Reinoso F., Activated Carbon, Elsevier, Amsterdam 2006.
• [7] Bansal R.C., Goyal M., Activated Carbon Adsorption, CRC, Boca Raton 2005.
• [8] Furmaniak S., Kowalczyk P., Terzyk A.P., Gauden P.A., Harris P.J.F., Synergetic effect of carbon nanopore size and surface oxidation on CO2 capture from CO2/CH4 mixtures, J. Colloid Interface Sci. 2013, 397, 144-153.
• [9] Furmaniak S., Terzyk A.P., Gauden P.A., Harris P.J.F., Kowalczyk P., Can carbon surface oxidation shift the pore size distribution curve calculated from Ar, N2 and CO2 adsorption isotherms? Simulation results for a realistic carbon model, J. Phys.: Condens. Matt. 2009, 21, 315005-1-10.
• [10] Furmaniak S., Terzyk A.P., Gauden P.A., Harris P.J.F., Kowalczyk P., The influence of carbon surface oxygen groups on Dubinin-Astakhov equation parameters calculated from CO2 adsorption isotherm, J. Phys.: Condens. Matt. 2010, 22, 085003-1-10.
• [11] Terzyk A.P., Furmaniak S., Wesołowski R.P., Gauden P.A., Harris P.J.F., Methane storage in microporous carbons - effect of porosity and surface chemical composition tested on realistic carbon model, [in:] Advances in Adsorption Technology, eds. B.B. Saha, K.C. Ng, Nova Science Publishers, New York 2010, rozdz. 14.
• [12] Drage T.C., Arenillas A., Smith K.M., Pevida C., Piippo S., Snape C.E., Preparation of carbon dioxide adsorbents from the chemical activation of urea-formaldehyde and melamine- -formaldehyde resins, Fuel 2007, 86, 22-31.
• [13] Plaza M.G., Pevida C., Arenillas A., Rubiera F., Pis J.J., CO2 capture by adsorption with nitrogen enriched carbons, Fuel 2007, 86, 2204-2212.
• [14] Shafeeyan M.S., Daud W.M.A.W., Houshmand A., Arami-Niya A., Ammonia modification of activated carbon to enhance carbon dioxide adsorption: effect of pre-oxidation, Appl. Surf. Sci. 2011, 257, 3936-3942.
• [15] Patrykiejew A., Wprowadzenie do metody Monte Carlo, Wyd. UMCS, Lublin 1998.
• [16] Frenkel D., Smit B., Understanding Molecular Simulation, Academic Press, San Diego 1999.
• [17] Biggs M.J., Buts A., Virtual porous carbons: what they are and what they can be used for, Mol. Simul. 2006, 32, 579-593.
• [18] Gauden P.A., Terzyk A.P., Furmaniak S., Modele budowy węgla aktywnego wczoraj - dzisiaj - jutro, Wiad. Chem. 2008, 62, 403-447.
• [19] Terzyk A.P., Furmaniak S., Gauden P.A., Harris P.J.F., Kowalczyk P., Virtual porous carbons, [in:] ed. J.M.D. Tascón, Novel Carbon Adsorbents, Elsevier, Amsterdam 2012, 61-104.
• [20] Harris P.J.F., Tsang S.C., High-resolution electron microscopy studies of non-graphitizing carbons, Philos. Mag. A 1997, 76, 667-677.
• [21] Harris P.J.F., Structure of non-graphitising carbons, Int. Mater. Rev. 1997, 42, 206-218.
• [22] Harris P.J.F., Fullerene-related structure of non-graphitizing carbons, [in:] Carbon Materials - Theory and Practice, eds. A.P. Terzyk, P.A. Gauden, P. Kowalczyk, Research Signpost, Kerala 2008, 1-14.
• [23] Terzyk A.P., Furmaniak S., Gauden P.A., Harris P.J.F., Włoch J., Kowalczyk P., Hyper-parallel tempering Monte Carlo simulations of Ar adsorption in new models of microporous nongraphitizing activated carbon: effect of microporosity, J. Phys.: Condens. Matt. 2007, 19, 406208-1-17.
• [24] Bhattacharya S., Gubbins K.E., Fast method for computing pore size distributions of model materials, Langmuir 2006, 22, 7726-7731.
• [25] Furmaniak S., New virtual porous carbons based on carbon EDIP potential and Monte Carlo simulations, Comput. Methods Sci. Technol. 2013, 19, 47-57.