创新超临界吸附理论推动清洁燃料技术进步

　　随着由自行车王国向汽车大国的转变，我国石油也从出口国发展为世界第二大石油进口国。研究气体燃料不仅仅是为了解决石油短缺的燃眉之急，也是关系到国民经济可持续发展的需要大事。回顾人类社会使用燃料的演变过程，即可明了气体燃料取代石油的必然趋势。燃料的演变是沿着氢元素含量逐步提高的方向、从固体燃料经由液体燃料向气体燃料进化的。天然气的使用减轻了环境污染，但只有以氢气为燃料，才能杜绝温室气体的排放。气体燃料不但最清洁，而且是可再生的。以生物质和城市垃圾为原料的沼气的主要成分是甲烷，再生氢的原料是水。在再生及其它技术问题解决之后，气体燃料是人类可以永久依靠的能源。当前利用气体燃料的紧迫问题不是再生，而是储存技术。储存的核心是减小气体的体积。压缩是技术简单且比较成熟的储气方法，若辅以吸附则可大大降低储气压力。因此，关于天然气和氢气的吸附存储研究成为近期能源化学领域的一个重要课题，带动了关于储气材料和超临界气体吸附理论的研究。由于甲烷与氢气的临界温度都很低，在实际可行的储气温度下均为超临界（不凝）气体，其吸附机制与临界温度以下气体（蒸气）的吸附不同。天津大学高压吸附实验室以定量地计算这一吸附机制引起的差异为切入点，肯定了超临界吸附的单分子层覆盖机理，提出了确定绝对吸附量的方法，建立了能够准确描述超临界吸附实验数据的理论模型，把传统的吸附理论思想延伸到超临界区域。基于理论研究取得的进展，提出了气体燃料技术研究的创新思路。依据单分子层吸附机理，强化气体燃料储存的出路在于：第一，开发高比表面积的吸附材料；第二，更有效地利用多孔材料中表面以上的孔内空间。针对前一思路，该实验室研制出高比表面积（2000m2/g以上）的超级活性炭，其生产方法不污染环境，所用时间仅为国内外同类方法的1/8，成本也以相同比率降低。针对后一思路，该实验室发明了在湿活性炭上储天然气新方法，使部分甲烷在炭的微孔空间中生成水合物，部分甲烷吸附在自由表面上，与干炭相比，单位质量活性炭的甲烷储量提高63%。此项创新已获得国家发明专利，有关论文在美国化工学报(AIChEJ)发表。在科技部973项目支持下的储氢研究中，该实验室以翔实的实验数据和理论分析证明氢在碳纳米管与活性炭上的吸附机理相同，修正了多孔材料储气容量的计算方法，改写了超级活性炭储氢容量5-6wt%的纪录，证明在77K、6MPa条件下可达到10.8wt%。

　　脱硫化氢与氮/甲烷的分离是气体燃料技术中两个重要问题。天然气汽车加气站必须将天然气所含约100-200ppm的硫化氢脱到10ppm以下。脱除微量硫化氢的技术症结在于能耗。该实验室发明的载液膜吸附剂变压脱硫技术获得了国家发明专利，其优势在于吸附剂常温再生，简化了设备，降低了能耗。氮/甲烷分离不仅是煤层气开发所需要的重要技术，而且可用于脱除煤矿瓦斯，有利于煤矿的安全生产。但是，氮气与甲烷的物理与化学性质相近，2000年IECRes上发表的一篇综述文章仍把氮/甲烷分离看作一项未来的挑战。高压吸附实验室利用自己开发的超级活性炭，将二者之间的吸附分离系数提高到12-20，为实现氮/甲烷的变压吸附分离奠定了理论基础，并已获得国家发明专利，目前正在进行过程运行实验，不久即可为经济建设服务。