بررسی جذب متان بر روی کربن فعال گرانولی

جذب متان بر روی کربن فعال گرانولی به روش حجمی در این پست مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به افزایش مداوم آلودگی های محیط زیست با سوخت های فسیلی و نفت بیشتر کشورها در جهان به دنبال انرژی های جایگزین برای این مساله هستند. یکی از این منابع گاز طبیعی است که به دلیل فراوانی و داشتن آلودگی کمتر بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. این ماده حتی برای سوخت به منظور حمل و نقل جایگزین بهتری است نسبت به گازوئیل و بنزین است. این ماده بیشتر از متان (87-96 درصد مول) تشکیل شده است و دارای بالاترین ارزش حرارتی در واحد جرم (50.1 مگا ژول در کیلوگرم -1) نسبت به سوخت های هیدروکربنی (مانند سوخت دیزل، بوتان، بنزین و غیره) می باشد. روسیه و خلیج فارس بزرگترین تولید کننده گاز طبیعی هستند و نزدیک به 50 درصد از تولید جهانی را تولید می کنند.

تفاوت گاز متان با گاز طبیعی

گاز طبیعی و متان به هم مرتبط هستند، اما دقیقاً یک چیز نیستند. گاز متان نوعی گازی بی‌رنگ، بی‌بو و غیر سمی است که از یک هیدروکربن ساده با فرمول شیمیایی CH₄ است. در طبیعت به عنوان یک گاز گلخانه‌ای قوی شناخته می‌شود. اما گاز طبیعی مخلوطی از گازهای هیدروکربنی است که عمدتاً از متان (بیش از 90%) تشکیل شده است. البته مقادیر کمی از اتان، پروپان، بوتان و سایر آلکان‌ها را نیز دارد. به عنوان یک منبع انرژی پاک و کارآمد شناخته می‌شود. بنابراین، می‌توان گفت که متان جزء اصلی گاز طبیعی است.

اما چرا گاز طبیعی را “متان” نمی‌نامند؟

دلیل این امر، وجود سایر هیدروکربن‌ها در گاز طبیعی است، گرچه متان سهم غالب را دارد. اما به دلیل اینکه “گاز طبیعی” مخلوط هیدروکربنی در صنعت و تجارت استفاده می‌شود به آن گاز طبیعی گفته می شود. در اصل، گاز طبیعی به طور کلی به مخلوط هیدروکربنی که عمدتاً از متان تشکیل شده است، اشاره دارد.

مزایای گاز طبیعی فشرده

برخی از مزایای گاز طبیعی فشرده عبارتند از:

• رسوب سرب شمع به دلیل عدم وجود محتوای سرب یا بنزن از بین می رود.
• هزینه نگهداری پایین در مقایسه با سایر وسایل نقلیه سوختی.
• سیستم سوخت CNG مهر و موم شده است، که از هر گونه تلفات نشت یا تبخیر جلوگیری می کند.
• به دلیل دمای اشتعال خودکار بالا (540 درجه سانتیگراد) و محدوده باریک (5 تا 15 درصد) قابلیت اشتعال، احتمال اشتعال خودکار در سطح داغ کمتر است.
• در مقایسه با سایر سوخت های تجاری مانند بنزین، گازوئیل آلاینده های قابل توجهی کمتری مانند دی اکسید کربن (CO2)، هیدروکربن، مونوکسید کربن (CO)، اکسید نیتروژن (NOx)، اکسید گوگرد و ذرات معلق منتشر می کند.

معایب گاز طبیعی

• گاز طبیعی مایع (LNG) در این روش گاز طبیعی تحت فشار 10-20 بار در دمای منفی 161.5 درجه سانتیگراد مایع می شود.
• LNG به استفاده از تجهیزات پیچیده و گران قیمت مایع سازی، مخازن ترموس مانند و مصرف انرژی قابل توجه (25-35 درصد از محتوای گاز انرژی اولیه) برای مایع سازی و گاز زدایی نیاز دارد.
• مخازن ذخیره LNG باید شکل استوانه ای یا کروی داشته باشند.

نقش جذب متان بر روی کربن فعال گرانولی

کربن فعال گرانولی به دلیل داشتن ساختار متخلخل و سطح داخلی عظیم می تواند به عنوان یک جاذب بسیار موثر برای گاز متان باشد. جذب متان بر روی کربن فعال گرانولی از طریق فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی مختلفی صورت می‌گیرد:

• جذب فیزیکی:

در این فرآیند، مولکول‌های متان به دلیل نیروهای واندروالس ضعیف به سطح کربن فعال جذب می‌شوند. این نوع جذب با افزایش دما و کاهش فشار کاهش می‌یابد.

• جذب شیمیایی:

در این فرآیند، مولکول‌های متان با گروه‌های عاملی موجود بر روی سطح کربن فعال پیوند شیمیایی برقرار می‌کنند. این نوع جذب قوی‌تر از جذب فیزیکی است و با افزایش دما و کاهش فشار به طور قابل توجهی کاهش نمی‌یابد.

عوامل موثر بر جذب متان بر روی کربن فعال گرانولی:

• مشخصات کربن فعال: نوع کربن فعال، اندازه منافذ، سطح داخلی و گروه‌های عاملی موجود بر روی سطح آن
• مشخصات متان: دما، فشار و غلظت متان
• شرایط عملیاتی: دما، فشار، رطوبت و سرعت جریان گاز

کاربردهای جذب متان بر روی کربن فعال گرانولی:

• برای تصفیه گاز طبیعی: برای حذف متان از گاز طبیعی و تولید گاز طبیعی مایع (LNG)
• کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای: برای جذب متان از منابع آلاینده مانند محل‌های دفن زباله و فاضلاب ها
• بازیافت متان: برای جذب متان از منابعی مانند چاه‌های متروکه و ذخیره آن برای استفاده‌های بعدی

مزایای استفاده از کربن فعال گرانولی برای جذب متان:

• ظرفیت جذب بالا: کربن فعال گرانولی می‌تواند مقادیر زیادی متان را جذب کند.
• قابلیت بازیافت: کربن فعال اشباع شده را می‌توان با فرآیندهای مختلف احیا و دوباره به کار گرفت.
• سازگار محیط زیست: کربن فعال گرانولی یک ماده غیر سمی و تجزیه‌پذیر است.

معایب استفاده از کربن فعال گرانولی برای جذب متان:

افزایش هزینه:یکی از فاکتورهای مهم برای مقرون به صرف بودن یک روش هزینه و قیمت ان است که در این فرآیند قیمت کربن فعال گرانولی نسبت به سایر جاذب‌ها گران‌تر است. این هزینه در مورد کاربرد کربن اکتیو در نفت و گاز که بتوانند به صورت ویژه گازها را حذف کنند بیشتر است. به صورت کلی هزینه کربن فعال گرانولی بیشتر از کربن فعال پودری است.
فرآیند احیا: هزینه های فرآیند احیای کربن فعال اشباع شده می‌تواند پرهزینه و انرژی‌ بر باشد.

 

کاربردهای گاز طبیعی جذب شده توسط کربن فعال (ANG)

گاز طبیعی جذب شده (ANG) یک جایگزین مناسب برای CNG است که میتواند ذخیره انرژی با فناوری جدید آنجام دهد. در این فن اوری گاز طبیعی توسط یک جاذب متخلخل مانند کربن فعال جذب می شوند. این مساله  می تواند در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار بگیرد از جمله:

• ذخیره سازی سوخت در داخل هواپیما
• ذخیره سازی سوخت برای وسایل نقلیه گاز طبیعی از جمله موتور سیکلت، اتومبیل، اتوبوس، قطار تا کشتی
• استفاده از تانکرها و مخازن تحرک ANG گاز طبیعی برای انتقال گاز به مناطق دور دست

میزان جذب متان بر روی کربن فعال گرانولی

بر اساس تحقیقات انجام شده میزان جذب متان بر روی کربن فعال گرانولی در شرایط فشار 500psi و در دمای ثابت 25 درجه سانتیگراد به سطح BET، حجم میکرو منافذ، چگالی کربن فعال و توزیع اندازه منافذ آن وابسته است. علاوه براین، تأثیر رطوبت بر ظرفیت جذب متان تاثیر گذار است. زیرا رطوبت باعث پر شدن منافذ می شود که همین موضوع می تواند ظرفیت جذب و دفع متان را کاهش دهد.

همچنین آغشته کردن کربن فعال به مواد خاص از جمله Cr2O در مقایسه با کربن فعال خام باعث افزایش جذب متان تا اندازه 20 درصد می شود. اگر به صورت ترکیبی از دو نمونه ماده آغشته استفاده شود ظرفیت نسبت به نمونه های آغشته به تنها یک گونه فلزی بالاتر می رود.