纳米氮化硼、硼碳氮材料的制备及其对CH 4 /N 2 的吸附分离性能研究
发布时间：2021-07-05 13:51
煤层气的开发利用对于缓解我国能源紧张形势、提高大气环境质量具有重要意义。由于中低浓度瓦斯中的甲烷含量巨大,具有可观的经济价值,因此CH4/N2分离技术的开发是实现煤层气工业化高效利用的关键一环。变压吸附分离法具有技术相对成熟、操作简单等优势,在矿井甲烷分离提纯方面引起了广泛关注。但由于CH4和N2的物化性质非常相似,导致CH4/N2的吸附分离研究很难有突破性进展,主要原因在于现有的吸附剂难以达到工业要求的分离效果。因此,开发出吸附分离效果优良、合成步骤简单、物化性质稳定的吸附剂是该领域的研究重点。六方氮化硼,作为一种新型多孔材料,由于其孔隙结构发达,热稳定性和化学惰性优异,较高的比表面积等优秀的物化特性,使得其在水体净化、催化剂、储氢等领域具有广阔的研究前景。为探究纳米氮化硼及纳米硼碳氮材料作为吸附剂,在中低浓度瓦斯变压吸附提纯甲烷的应用情况。本文通过无模板法制备出高比表面积、孔隙丰富的纳米氮化硼;同时为实现氮化硼的碳化,在纳米氮化硼（BN）制备的基础上,...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究路线
硕士学位论文142.3表征结果与讨论（CharacterizationResultsandDiscussion）2.3.1扫描电镜结果分析（1）反应物恒定温度对纳米氮化硼形貌的影响为确定硼源与氮源最佳反应温度，将硼酸、缩二脲和尿素按照1:2:5的摩尔比例进行混合，随后在850℃、950℃、1050℃的氮气保护下恒定保持3.5h，所制备的氮化硼形貌结构通过扫描电子显微镜表征如图2-1所示。a.BN-850-3.5，b.BN-950-3.5，c.BN-1050-3.5图2-1反应温度对BN形貌的影响Figure2-1EffectofreactiontemperatureonBNmorphology从图2-1中可以看出，所制备的BN样品均存在发育良好的褶皱及孔隙结构。同时，随着反应温度逐渐增加，运动剧烈的分子使得反应物的活性更大，更易发生反应，以便于反应过程中产生更多气体，促进氮化硼在形成过程中的微孔及通道孔隙形成。（2）反应时间对纳米氮化硼形貌的影响作为卧式管式炉设置的参数之一，本文对反应时间这一影响因素进行讨论。一般而言，反应时间愈长，反应越充分，制备的纳米材料尺寸愈大。本实验采用H:U:B=1:2:5的摩尔比例，在氮气环境下，将样品从室温条件下升温至1050℃。其中，升温速率为10℃/min。反应时间分别为2.5h、3.5h、4.5h。所得的纳米氮
2纳米氮化硼的制备与表征15化硼形貌如图2-2所示。a.BN-1050-2.5，b.BN-1050-3.5，c.BN-1050-4.5图2-2反应时间对BN形貌的影响Figure2-2EffectofreactiontimeonBNmorphology从图2-2（a）中可以看出，当反应时间越短，即通过2.5H的反应时间所制备的氮化硼形貌，晶体生长时间较短，导致纳米片还未生长完全，尺寸较校从而使得比表面积较小，不利于材料在气体吸附领域的应用。在图（b）和图（c）中，随着反应时间的增加，反应物得以充分进行反应，褶皱发育良好，晶体生长比较大，因此制备的纳米氮化硼尺寸都比较大。同时，对比图（b）和图（c），所制备的纳米材料在形貌尺寸上几乎无差别，晶体发育良好。这是因为参与反应的氮源与硼源均已分解反应完毕，反应时间已经影响较校其中，图（b）中纳米氮化硼的褶皱发育完全，且形貌尺寸均匀。因此，本实验采用3.5H为最佳反应时间。（3）反应物比例对纳米氮化硼形貌的影响不同种类的硼源与氮源反应对氮化硼的形貌具有重要影响。氮化硼的制备实验所使用的硼源一般包括硼酸、三氧化二硼等硼源，氮源一般包括尿素、缩二脲和三聚氰胺等材料。例如，Li等人[68]通过三聚氰胺和三氧化二硼制备的氮化硼材料在水体净化领域取得了良好的效果。但目前所制备的氮化硼材料基本采用单一硼源或氮源，对于多氮源或硼源的研究较少。因此，本实验采用双氮源（缩二
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国煤层气资源量及分布[J]. 毕彩芹. 石油知识. 2018(02)
[2]我国煤层气综合利用现状[J]. 刘树森,郭旋,任军. 现代化工. 2018(03)
[3]碳掺杂氮化硼纳米管吸附气体小分子的DFT计算[J]. 耿继国,王宽. 核技术. 2016(05)
[4]六方氮化硼（h-BN）基复合陶瓷研究与应用的最新进展[J]. 段小明,杨治华,王玉金,陈磊,田卓,蔡德龙,贾德昌,周玉. 中国材料进展. 2015(10)
[5]变压吸附法分离富集乏风瓦斯的实验研究[J]. 竹涛,陈锐,和娴娴,夏妮,李笑阳,赵文娟,吴世琪,李奕杰. 煤矿安全. 2015(09)
[6]硫辅助合成高孔隙率大孔氮化硼材料(英文)[J]. 孙常慧,徐立强,马小健,钱逸泰. 无机化学学报. 2012(03)
[7]炭分子筛吸附分离甲烷/氮混合物研究进展[J]. 席芳,林文胜,顾安忠,刘薇,齐研科. 低温与超导. 2010(09)
[8]变压吸附浓缩煤层气吸附剂的选择实验[J]. 刘应书,郭广栋,杨雄,李永玲,张辉,孟宇. 矿业安全与环保. 2010(04)
[9]活性炭变压吸附脱除二氧化碳的性能研究[J]. 陈飞,刘晓勤. 天然气化工（C1化学与化工）. 2007(06)
[10]煤矿区煤层气浓缩净化方面的基础研究[J]. 徐龙君,鲜学福,杨明莉. 中国煤层气. 2005(04)
博士论文
[1]中国区域人为源甲烷排放清单构建与特征分析[D]. 杜鸣溪.西北农林科技大学 2018
[2]注气开采煤层气多场耦合模型研究及应用[D]. 马天然.中国矿业大学 2017
[3]介微孔分子筛和金属-有机骨架材料的合成、表征及其对气体的吸附性能研究[D]. 石凤娟.北京工业大学 2012
[4]吸附法浓缩煤层气甲烷研究[D]. 刘聪敏.天津大学 2010
[5]煤层甲烷变压吸附浓缩的研究[D]. 杨明莉.重庆大学 2004
硕士论文
[1]多孔氮化硼纳米片的制备及其在气体吸附领域的应用[D]. 谢飞.北京理工大学 2015
[2]煤矿乏风中低浓度甲烷的变压吸附提纯[D]. 雷利春.大连理工大学 2010
[3]吸附法浓缩煤层甲烷的实验研究[D]. 李胜男.天津大学 2007
本文编号：3266191
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究路线
硕士学位论文142.3表征结果与讨论（CharacterizationResultsandDiscussion）2.3.1扫描电镜结果分析（1）反应物恒定温度对纳米氮化硼形貌的影响为确定硼源与氮源最佳反应温度，将硼酸、缩二脲和尿素按照1:2:5的摩尔比例进行混合，随后在850℃、950℃、1050℃的氮气保护下恒定保持3.5h，所制备的氮化硼形貌结构通过扫描电子显微镜表征如图2-1所示。a.BN-850-3.5，b.BN-950-3.5，c.BN-1050-3.5图2-1反应温度对BN形貌的影响Figure2-1EffectofreactiontemperatureonBNmorphology从图2-1中可以看出，所制备的BN样品均存在发育良好的褶皱及孔隙结构。同时，随着反应温度逐渐增加，运动剧烈的分子使得反应物的活性更大，更易发生反应，以便于反应过程中产生更多气体，促进氮化硼在形成过程中的微孔及通道孔隙形成。（2）反应时间对纳米氮化硼形貌的影响作为卧式管式炉设置的参数之一，本文对反应时间这一影响因素进行讨论。一般而言，反应时间愈长，反应越充分，制备的纳米材料尺寸愈大。本实验采用H:U:B=1:2:5的摩尔比例，在氮气环境下，将样品从室温条件下升温至1050℃。其中，升温速率为10℃/min。反应时间分别为2.5h、3.5h、4.5h。所得的纳米氮
2纳米氮化硼的制备与表征15化硼形貌如图2-2所示。a.BN-1050-2.5，b.BN-1050-3.5，c.BN-1050-4.5图2-2反应时间对BN形貌的影响Figure2-2EffectofreactiontimeonBNmorphology从图2-2（a）中可以看出，当反应时间越短，即通过2.5H的反应时间所制备的氮化硼形貌，晶体生长时间较短，导致纳米片还未生长完全，尺寸较校从而使得比表面积较小，不利于材料在气体吸附领域的应用。在图（b）和图（c）中，随着反应时间的增加，反应物得以充分进行反应，褶皱发育良好，晶体生长比较大，因此制备的纳米氮化硼尺寸都比较大。同时，对比图（b）和图（c），所制备的纳米材料在形貌尺寸上几乎无差别，晶体发育良好。这是因为参与反应的氮源与硼源均已分解反应完毕，反应时间已经影响较校其中，图（b）中纳米氮化硼的褶皱发育完全，且形貌尺寸均匀。因此，本实验采用3.5H为最佳反应时间。（3）反应物比例对纳米氮化硼形貌的影响不同种类的硼源与氮源反应对氮化硼的形貌具有重要影响。氮化硼的制备实验所使用的硼源一般包括硼酸、三氧化二硼等硼源，氮源一般包括尿素、缩二脲和三聚氰胺等材料。例如，Li等人[68]通过三聚氰胺和三氧化二硼制备的氮化硼材料在水体净化领域取得了良好的效果。但目前所制备的氮化硼材料基本采用单一硼源或氮源，对于多氮源或硼源的研究较少。因此，本实验采用双氮源（缩二
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国煤层气资源量及分布[J]. 毕彩芹. 石油知识. 2018(02)
[2]我国煤层气综合利用现状[J]. 刘树森,郭旋,任军. 现代化工. 2018(03)
[3]碳掺杂氮化硼纳米管吸附气体小分子的DFT计算[J]. 耿继国,王宽. 核技术. 2016(05)
[4]六方氮化硼（h-BN）基复合陶瓷研究与应用的最新进展[J]. 段小明,杨治华,王玉金,陈磊,田卓,蔡德龙,贾德昌,周玉. 中国材料进展. 2015(10)
[5]变压吸附法分离富集乏风瓦斯的实验研究[J]. 竹涛,陈锐,和娴娴,夏妮,李笑阳,赵文娟,吴世琪,李奕杰. 煤矿安全. 2015(09)
[6]硫辅助合成高孔隙率大孔氮化硼材料(英文)[J]. 孙常慧,徐立强,马小健,钱逸泰. 无机化学学报. 2012(03)
[7]炭分子筛吸附分离甲烷/氮混合物研究进展[J]. 席芳,林文胜,顾安忠,刘薇,齐研科. 低温与超导. 2010(09)
[8]变压吸附浓缩煤层气吸附剂的选择实验[J]. 刘应书,郭广栋,杨雄,李永玲,张辉,孟宇. 矿业安全与环保. 2010(04)
[9]活性炭变压吸附脱除二氧化碳的性能研究[J]. 陈飞,刘晓勤. 天然气化工（C1化学与化工）. 2007(06)
[10]煤矿区煤层气浓缩净化方面的基础研究[J]. 徐龙君,鲜学福,杨明莉. 中国煤层气. 2005(04)
博士论文
[1]中国区域人为源甲烷排放清单构建与特征分析[D]. 杜鸣溪.西北农林科技大学 2018
[2]注气开采煤层气多场耦合模型研究及应用[D]. 马天然.中国矿业大学 2017
[3]介微孔分子筛和金属-有机骨架材料的合成、表征及其对气体的吸附性能研究[D]. 石凤娟.北京工业大学 2012
[4]吸附法浓缩煤层气甲烷研究[D]. 刘聪敏.天津大学 2010
[5]煤层甲烷变压吸附浓缩的研究[D]. 杨明莉.重庆大学 2004
硕士论文
[1]多孔氮化硼纳米片的制备及其在气体吸附领域的应用[D]. 谢飞.北京理工大学 2015
[2]煤矿乏风中低浓度甲烷的变压吸附提纯[D]. 雷利春.大连理工大学 2010
[3]吸附法浓缩煤层甲烷的实验研究[D]. 李胜男.天津大学 2007
本文编号：3266191
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