使用不同类型的活性炭来研究它们的结构在环境温度和更高压力下通过吸附方法从(氢+二氧化碳)气体混合物中分离CO 2的影响。氢是化学工业和发电需求的重要能源，氢气有两个关键优势：低排放和高热值。因为开采的天然气进行水煤气变换反应的合成气由氢气和二氧化碳组成，并且通过合成气体的净化可以获得大量的氢气。所以开发一种吸附分离的方法是比较重要的，我们使用的吸附分离方法是使用活性炭材料，下面我们测试活性炭对CO 2吸附的选择性和CO 2的吸附容量。

　　实验部分

　　实验材料使用氢气(99.99%)和二氧化碳(99.99%)。在实验室中制备两种不同比例的气体混合物作为原料气。通过两步分离过程观察不同比例的混合气体和活性炭分离性能的分离性能差异。通过气相色谱仪分析进料气体和平衡气体的组成。在实验之前，将活性炭样品在100℃的真空干燥箱中干燥至恒重。

　　图1：实验装置的示意图。

　　不同活性炭的分离效果比较

　　首先比较了用不同活性炭分离H 2/CO 2的选择性。在该工作中使用活性炭在25℃下进行分离实验。相比之下，活性炭的成本非常低，活性炭的生产技术非常成熟，可以很容易地买到。然而，对于不同的活性炭存在不同的结构特征。必须选择具有较高分离因子值的合适活性炭。

　　活性炭结构的影响

　　为了研究活性炭结构对气体混合物的分离性能的影响，七种活性炭，即活性炭1、2、3、4和活性炭A、B、C。评估了SEM图像及其颗粒分布示于图2和3中。对比了活性炭的比表面积，微孔体积，孔径，中值粒径和骨架密度等。在这些活性炭中，1234衍生自相同类型的活性炭，并具有相同的比表面积，微孔体积，孔径和骨架密度，但具有不同的粒径。这类活性炭的中值粒径分别为1.14、1.41、2.07和6.18μm。在活性炭中，粒径决定了微孔的利用率，孔径控制了气体分子进入活性炭孔隙的可能性，比表面积和孔隙体积决定了存储容量。这种孔径和粒径比较适合分离气体混合物，但是，对于孔体积或比表面积，CO 2吸收越大越好。下面我们选择两种气体混合物来评估活性炭结构对分离性能的影响，即两种碳氢比例不同的混合气体。将这两种进料气体混合物与七种活性炭进行分离实验。实验条件温度和初始压力分别为10℃和约2.0MPa。

　　图2：几种活性炭的SEM图像。

　　图3：活性炭数字系列的粒度分布图。

　　图4：活性炭字母系列的粒度分布图。

　　经过实验发现，首先针对进料气体混合物的分离性能，当其活性炭结构特征不变时，中值粒径控制CO 2吸附性能和混合气体的选择性。当CO 2浓度低时，粒径的影响对于选择性比CO 2吸附更重要。总之，对于混合气体而言，比表面积限制了CO 2吸附，中值粒径和孔径限制了选择性。当活性炭孔径在0.77-1.20nm范围内并且中值粒径为约2.07μm时，分离性能达到顶值。

　　活性炭的再利用实验

　　为了研究活性炭在吸附分离中的再利用，在不同条件下用混合气体再生的活性炭A的分离实验在10℃和初始时进行。压力2.1 MPa，通过在20℃下抽空10小时使活性炭再生，或分别在20,40,60,80和100℃的环境中进行活性炭再生。经过实验发现较高的再生温度有利于再生活性炭，以便在随后的分离实验中重复使用。考虑到分离结果和用两种不同方法再​​生活性炭的成本，可以得出结论，所用的活性炭通过抽空的方法比加热再生性能更好。

　　我们测试了七种类型的活性炭，以确定用于分离气体混合物的活性炭结构的限制因素。实验数据表明：在对于H 2 53.6%+CO 2 46.4%的混合气体中，活性炭的孔径和中值粒径限制了活性炭的选择性，对于H 2 85.1% +CO 2 14.9%的混合气体，中值粒径限制了活性炭的选择性，当活性炭的孔径为0.77-1.20nm时，两种气体混合物的分离性能达到最高，中值粒径分别为2.07和1.41μm，后一种混合气体的比表面积和孔径的影响比前一种混合物弱。

　　此外，使用活性炭在两个阶段中，平衡气体混合物中CO 2的含量可以从46.4%降低至小于4.3%。我们的研究结果有利于在环境温度和更高压力下使用活性炭分离含有二氧化碳的工业气体混合物。