干水吸脱附气体的动力学研究

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干水(dry water,DW)是由纳米级疏水性二氧化硅颗粒与水经过高速搅拌得到的具有良好流动性的粉末,干水自身的性质与二氧化硅颗粒的接触角有关。干水的主要成分是水,因此干水具有液体的流动性。干水作为一种气包水的反向泡沫体系,与液态水相比,具有更高的比表面积,高度分散的水滴可以显著地增强体系对气体的吸附动力学。本文通过高速剪切法制备了干水、环糊精干水(dry cyclodextrin,DCD)、干盐水(dry salt water,DSW)、结冷胶干水(gellan gum dry water,GGDW),研究了DW对CO2和CH4的吸附动力学,得出吸附的最佳温度为277 K,且该温度与气体种类无关。此外,本文分别研究了不同浓度和结构的环糊精(cyclodextrin,CD)对气体吸附动力学的影响,发现α-CD可以有效地增强干水对CO2和CH4气体的吸附能力,而β-CD仅在低浓度情况下会促进干水对CH4的吸附。其主要原因在于气体包合物的双重界面效应,以及水合反应和包合反应之间的竞争。考虑到气体扩散、水合反应、包合反应和包合物沉淀的影响,本文提出了气体扩散—反应—阻滞模型来描述气体的吸附过程,表明DCD内部的CH4气体主要以自由态形式存在,而CO2气体主要以吸附态形式存在。通过实验和分子动力学模拟研究了温度对DSW吸附CO2气体的影响。在二氧化硅表面附近,水分子的取向及氢键网络结构对温度非常敏感。随着温度的降低,界面附近的水层会形成更多的氢键,这种结构易于捕获CO2形成水合物前驱体。一旦CO2的吸附过程被引发,即使温度有所升高,水层结构的变化也不可逆转,从而气体吸附过程能够继续进行下去。降温诱导法可以在较高温度下有效地引发气体吸附过程,使用该方法可以降低成核能垒,从而节约了能耗。最后,本文还研究了DW对CH4的脱附动力学,探讨了DW和GGDW吸脱附气体的循环性能。结冷胶对干水的结构起到了支撑作用,与DW相比,GGDW的再循环性能有了极大的提高。
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