Synergetic Influence of Carbon Nanopore Size and Surface Oxidation on CO2 Adsorption from CO2/CH4 Mixtures

W związku z rosnącym znaczeniem metanu jako paliwa rozdział mieszaniny CH4 i CO2 jest procesem ważnym z praktycznego punktu widzenia, ponieważ CO2 stanowi częstą domieszkę zarówno naturalnego gazu ziemnego, jak i biogazu. Jedną ze stosowanych w tym celu metod jest technika pressure swing adsorption, bazująca na różnicach w adsorpcji składników mieszaniny. Wśród stosowanych adsorbentów ważne miejsce zajmują węgle aktywne. Ponieważ pomiary doświadczalne adsorpcji mieszanin gazów są czasochłonne i wymagają zaawansowanej aparatury, symulacje komputerowe mogą stanowić prostszą i szybszą alternatywę. W pracy przedstawiono wyniki zastosowania symulacji Monte Carlo w wielkim zespole kanonicznym do modelowania adsorpcji i rozdziału mieszaniny CH4/CO2 na węglach aktywnych. Wykorzystano model węgla zaproponowany przez Harrisa i innych. Analizowano wpływ zarówno systematycznie zmieniającej się porowatości węgla, jak i obecności na jego powierzchni różnych ilości grup tlenowych. Wykazano, że oba czynniki wpływają na rozdział mieszaniny CH4/CO2. Spośród nich to utlenienie powierzchni węgla jest czynnikiem bardziej istotnym. Podczas gdy zwiększenie odsetka małych mikroporów (o średnicy poniżej 1 nm) pozwala na zwiększenie skuteczności rozdziału o kilkadziesiąt procent, to wprowadzenie grup karbonylowych prowadzi nawet do 2-3-krotnego wzrostu wartości równowagowego współczynnika rozdziału. Węgiel optymalny do rozdziału mieszaniny CH4/CO2 powinien nie tylko posiadać odpowiednio małe pory, ale również zawierać możliwie dużo grup powierzchniowych.The growing importance of methane as a fuel makes the separation of CH4 and CO2 mixtures an important process from a practical point of view. CO2 is a frequent impurity of natural gas and biogas. The pressure swing adsorption (PSA) technique is one of the methods used in practice to separate gas mixtures. This method is based on the differences in adsorption of mixture components. Activated carbons are important adsorbents used in the PSA process. Since experimental measurements of gas mixtures adsorption are time-consuming and require sophisticated equipment, computer simulations may be a simpler and faster alternative. The current work presents the results of the use of Monte Carlo simulations in grand canonical ensemble for modelling the adsorption and separation of CH4/CO2 mixture on activated carbons. The model of carbons proposed by Harris et al. is used. The influence of both the carbon porosity (systematically changing) and the presence of surface oxygen groups is analysed. The results show that the both factors affect the separation of CH4/CO2 mixture. Among them, the oxidation of carbon surface is a far more important factor. While the increase in percentage of the smallest micropores (having a diameter below 1 nm) makes it possible to increase separation efficiency by a few tens of percent, the introduction of carbonyl groups results even in 2-3 times greater value of the equilibrium separation factor. The optimal carbon for separation of CH4/CO2 mixtures should not only contain the appropriate small pores, but it should also have the high concentration of surface functionalities