[發明專利]通過化學氣相沉積法合成有序微孔碳

在審

• 申請號: 201580055868.4
• 申請日: 2015-10-14
• 公開（公告）號: CN107427812A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: Y·王;杰馬爾·埃爾詹;M·拉什德·奧斯曼;S·崔;M·崔
• 申請（專利權）人: 沙特阿拉伯石油公司;韓國科學技術院
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;B01J20/32;B01J3/00;B01J19/24;C01B32/05
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司11112
• 代理人: 王靜,張珂珂

技術領域

本發明的領域涉及微孔碳。更具體地說，該領域涉及微孔碳的形成以及在天然氣儲存和運輸系統中的應用。

背景技術

天然氣是世界各地選擇的方便運輸的優選燃料。天然氣比其他傳統燃料(包括石油和煤碳)燃燒更完全；因此，天然氣的燃燒對環境的危害較小。天然氣和類似產品(包括LNG、丙烷和其他壓縮氣體燃料)在發動機和渦輪燃燒系統中具有更高的效率。管道是將天然氣從生產者運送到消費者的傳統且最具成本效益的手段。

當為非商業用戶生產電力或天然氣時，天然氣運輸網絡出現了重大問題：晝夜需求。與制造工廠或設備不同的是，人們通常在一天中不是穩定的能源使用者。人們在白天和傍晚時消耗更多的電量，而在晚上和清晨所消耗的電量要少很多。較高的消耗速度形成“需求高峰期”，較低的消耗速度形成“非需求高峰期”。這種日常趨勢全年都會發生。然而，在不同季節，每個周期的長度(較長或較短的光照時間分別需要更少或更多的人造光)和周期的幅度(例如，相對于更適中的溫度而言，在較高溫度下和較低溫度下需求量更大)可以改變晝夜需求量。需求的位置也對晝夜需求產生影響。在較冷的環境下，夏季的電力和天然氣總需求總體較低，而冬季則較高(因為消費者會使用加熱設備)。在溫暖的環境中，消費者使用空調機組時，日常需求趨勢相反。

不僅在日常使用中，在季節差異中也存在電力和天然氣的搖擺性消耗，這導致了天然氣運輸和生產系統存在不確定性。然而，天然氣生產幾乎是恒定的。天然氣生產與總消耗之間的供需差距導致“天然氣需求滯后”。未經干預的滯后表現為在天然氣運輸網中系統壓力的增加和減少(“波動”)。

發電設備優選將恒定的高壓天然氣作為原料。天然氣進料中的壓力波動可能會使發電設備，特別是旋轉設備(包括燃氣輪機)損壞，這是由突然的不適當的供油比所造成的設備在負載下減速導致的。

在標題為“吸附天然氣存儲設備(Adsorbed Natural Gas Storage Facility)”的美國專利申請公開No.2013/0283854(2013年10月31日公開)(Wang等人)中提供了一種減輕氣體輸送網中的壓力波動的解決方案，其中利用了微孔吸附劑吸附和解吸天然氣。

用于儲存吸附天然氣(ANG)的微孔吸附劑包括活性碳、金屬有機框架(MOF)、沸石以及其他有機或無機多孔固體。據報道，MOF的表面積高達每克4000米(m²/g)，在290K和35巴時具有高達230體積/體積(v/v)絕對甲烷吸附的絕對甲烷吸附容量(有時也成為“儲存量(storage amount)”比或者“存儲量(amount stored)”比)。然而，關于如此大量的絕對甲烷吸附是否準確則存在一些疑問。一些操作問題限制了MOF在天然氣吸附一解吸系統中的實際應用。一旦甲烷吸附到框架中，則其被強烈地結合，所以可能需要高達100℃的解吸溫度以釋放吸附的甲烷。已知MOF的水熱穩定性較低，因此加熱MOF以反復釋放甲烷將最終使框架降解。MOF也不耐受天然氣雜質，例如天然氣中常見的硫化氫、黑/碳-有機硅粉和硫醇。

在類似條件下，金屬氧化物吸附劑(如沸石)的甲烷吸附量傾向于小于活性碳材料的甲烷吸附量。MOs具有較小的表面積，據報道小于約800m²/g。相對于活化碳材料而言，沸石還具有親水表面，使得它們能夠越過其他組分而吸附天然氣流中的水。

活性碳材料具有高達約3000m²/g的表面積，并且是相對熱穩定和化學穩定的材料。已知在工業中，活性碳在290K和35巴下的絕對甲烷吸附容量范圍為約130v/v至約180v/v。

在ANG應用中使用活性碳材料有幾個限制。由于活性碳材料存在中尺寸孔(2＜d＜50納米(nm))和大尺寸孔(＞50nm)，所以通常具有比其他材料更低的填充密度。在碳活化過程中由于過度的碳燃燒而在形成活性碳材料時產生更大的微孔。具有高表面積的碳顆粒的不規則形態傾向于導致顆粒的致密填充，從而在顆粒之間留下空隙。ANG的最佳孔徑為約1.1nm至約1.2nm。中尺寸和大尺寸的孔隙對天然氣吸附沒有貢獻，但是作為材料體積的一部分，導致了較低的填充密度。有用的活性碳材料的堆密度在約0.20克/立方厘米至約0.75克/立方厘米(g/cm³)的范圍內。