煤层气CH4/N2吸附模型对比分析与热力学研究

"本文对比了不同CH4/N2吸附模型在煤层气中甲烷与氮气的吸附分离过程中的拟合效果，并进行了吸附热力学分析。实验采用静态体积法，在298.15、313.15、328.15 K三个温度下，测试了CH4/N2在自制炭分子筛上的吸附量。通过9种吸附模型的非线性拟合，发现最优化体积填充模型DA的拟合效果最佳，而经验方程Freundlich模型的拟合效果最差。Langmuir、Sips和Toth模型的拟合效果居中，且对N2的拟合优于CH4。进一步分析发现，BET方程不适用于描述这种吸附现象，而Langmuir、Toth和E-L模型的饱和吸附量随温度升高而减小，其中N2的吸附量受温度影响更显著。E-L、Toth和Sips模型中的能量不均匀性参数n随温度升高而增大，表明炭分子筛表面的能量分布不均匀性增加。此外，吸附热力学分析显示，该炭分子筛对CH4和N2的平均等量吸附热分别为11.80 kJ/mol和9.06 kJ/mol，均为物理吸附。N2的等量吸附热随吸附量增加的变化范围大于CH4。" 这篇研究论文主要探讨了煤层气中CH4与N2的分离问题，具体是通过吸附方法实现的。作者首先利用静态体积法在不同温度下测量了CH4和N2在炭分子筛上的吸附量。然后，他们将这些数据分别与Langmuir、Freundlich、Sips、Toth、BET、DA、DR、E-L和F-L九种吸附模型进行非线性拟合，以评估各种模型的适用性。结果表明，DA模型对实验数据的拟合度最高，而Freundlich模型的拟合度最低。Langmuir、Sips和Toth模型则表现出中等的拟合效果，但对N2的拟合比CH4更好。 在模型参数分析方面，BET模型未能有效描述CH4和N2的吸附行为，这可能是因为该模型假设吸附剂表面是均匀的，而实际上炭分子筛的表面具有不均匀性。Langmuir、Toth和E-L模型的饱和吸附量（qm）随温度上升而降低，暗示着高温环境下吸附能力下降。特别是N2的饱和吸附量受温度影响更为显著，这可能与N2分子间的相互作用力有关。 另外，E-L模型、Toth模型和Sips模型中，表征表面能量不均匀性的参数n随温度升高而增大，揭示了温度增加导致炭分子筛表面不均匀性的增强。F-L模型中的分形维数D的增加，进一步证实了这一观察结果，即温度提高使得炭分子筛表面的复杂性和不规则性增加。 最后，研究人员进行了吸附热力学分析，计算出CH4和N2的平均等量吸附热。这两个数值分别为11.80 kJ/mol和9.06 kJ/mol，都低于40 kJ/mol的物理吸附阈值，证明了吸附过程主要是物理吸附。而且，N2的等量吸附热随吸附量的增加有更大的变化范围，这意味着N2的吸附动力学可能更为复杂。 这项工作提供了CH4/N2分离的吸附模型选择依据，并揭示了吸附过程的热力学特性，为煤层气的高效分离提供了理论支持。