活性碳-甲醇吸附工质对吸附特性的实验研究

    1 前言

    能源技术是当今世界面临的重大课题。出于节能和充分利用低品位能源的迫切需要,吸收式制冷技术得到了广泛的研究和应用。然而在热源温度较低而冷凝温度较高时,吸收式制冷的效率(热力系数)很低。吸附式制冷在这种情况下往往可以获得较为满意的效果,同时由于吸附式制冷是可直接使用工业低品位余热或太阳能作为驱动热源,不使用CFCs,具有环保和节能两大优势,所以吸附式制冷技术近年来已成为制冷界的热门研究课题,迄今为止已经引起全球科技工作者的广泛关注。

    研究、设计和制造吸附式制冷机的关键之一是确定/吸附剂-制冷剂0工质对[1, 2]。陈砺等对CaCl₂-NH₃,MgCl₂-NH₃, SrCl₂-NH₃, BaCl₂-NH₃和活性炭-NH3等吸附工质对的基础吸附性能进行了实验研究[2, 3],得到了相应的吸附等温线和吸附等温方程。周广英等对双组分氨-水吸附工质对进行了实验研究,并正在进一步开展耦合吸附吸收制冷循环研究[4]。崔群等选取13X分子筛、凹凸棒土和氯化锶等为主要吸附材料,制备了一系列有着优良吸附性能的复合吸附剂,并测定了水、乙醇在自制复合吸附剂上的吸附等温线[5]。王如竹用活性炭纤维作为吸附剂,甲醇为制冷剂,进行了吸附制冷系统性能研究,并与活性炭-甲醇体系进行了比较[6]。王丽伟等对以柴油机废气余热驱动的活性炭-甲醇吸附制冰机的循环特性进行了分析[7]。

    迄今为止,人们对活性炭-甲醇吸附工质对的基础研究尚不深入,以至于许多实验现象得不到圆满的理论解释,难以得到有效的解决方法,阻碍了研究工作的深入。本文通过实验测定得到了活性炭-甲醇吸附工质对的基础吸附平衡数据,给出了等温吸附曲线和等吸附量曲线,实验结果为后续的吸附制冷性能研究奠定了基础。

    2 吸附特性实验装置

    吸附剂的吸附能力,常用吸附达到平衡时,单位质量(克)吸附剂吸附气体的质量、体积(标准状态下)或摩尔数来表示,即用吸附量x来表示。吸附的大小与吸附剂的物性、温度t、压力p等因素有关。由于吸附作用发生在表面层上,即使对于同一物体,它的吸附能力往往由于细度和孔隙度的不同而相差很大,而且吸附剂的表面活性很活泼,容易被氧化和污染,使表面活性减弱,因此具体吸附工质对吸附量与影响因素的关系φ(t,p,x)需要通过实验来确定。

    采用重量法来测量活性炭-甲醇吸附工质对的吸附特性。为克服重量法取样量很少(毫克级)、相对误差较大的缺点,改用大型吸附管装上一定重量(千克级)的吸附剂,用滴定管计量加给体系的吸附质。图1为吸附特性实验装置系统图,包括真空系统、恒温系统、吸附器及测量系统等四个部分。实验系统所用真空泵为JK-100高真空抽气机组,真空极限为2×10^-6Pa,抽气速率为90L/min,它是一个两级泵,由机械泵和扩散泵组成;恒温系统由测温传感器、温控仪表及电源组成,控制精度为±1℃;吸附器为自制容器,内设透气管,结构设计考虑了便于更换吸附剂、便于测量和操作、传热传质均匀等因素;测量系统中,吸附剂称重采用电子天平,吸附质采用滴定量管测量,系统压力由U型管水银压力计测量,系统温度由铂热电阻温度计测量。