低温低压下活性炭吸附氢气的分子模拟

摘要

低温吸附法处理激光尾气中的H₂相较于传统尾气处理方法具有体积小、质量轻、运行成本低、无振动噪声等特点，其关键问题是开发低温低压条件下高性能的H₂吸附剂．以石墨片微元构建多孔活性炭模型，使用巨正则蒙特卡罗（GCMC）模拟探究H₂在多孔活性炭中的吸附行为，通过考察多种因素的影响，期望获得更高的H₂吸附量．计算使用pcff力场，范德华相互作用采用Lennard-Jones 12-6形式，将计算得到的H₂吸附等温线以及模型的BET参数与实验值对比，验证了模型和力场的准确性．之后探究了石墨片微元尺度、多孔活性炭密度和吸附温度对H₂吸附的影响．结果显示：石墨片微元尺度对H₂的吸附有较大影响，由1环构建的模型性能最差，由19环构建的模型性能最好，从吸附性能来看，在单一石墨微元模型和混合石墨微元模型中均满足19环>37环>7环>1环；在所建立的0.5～1.3 g/cm³模型密度范围内，存在最优密度1.1 g/cm³，此时能够获得最大H₂吸附量，比表面积和孔径分布二者共同作用影响吸附性能；温度对H₂低温吸附有较大影响，当吸附温度升高5 K和10 K时，吸附量分别下降了19.1%和36.8%，因此加强吸附过程中的散热和优化吸附床结构可以提高氢气的吸附量．

关键词

活性炭 / 吸附 / 蒙特卡罗模拟 / 氢 / 低温低压

基金资助

国家重点研发计划资助项目(2019YFB1505000)