CN115355444A - 一种高效储存甲烷气体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效储存甲烷气体的方法，属于能源气体存储技术领域，尤其涉及一种电场诱导下提高氧化石墨烯存储甲烷的方法，在常温下，压力为1.0MPa时，使用氧化石墨烯作为存储甲烷气体的吸附材料，并在吸附存储过程中使用合适强度的外部电场进行诱导，实现甲烷存储量的显著提升；同时，在温度为425K下，压力为1.0MPa时，配合合适强度的外部电场诱导，能够实现甲烷气体的高效释放。

Description

一种高效储存甲烷气体的方法
技术领域
本发明涉及一种高效储存甲烷气体的方法，属于能源气体吸附技术领域。
背景技术
天然气是烃类气体的混合物，其主要成分是甲烷(约70％-90％)。与石油相比，相同的热值条件下天然气燃烧时产生的二氧化碳量更少，也更为清洁，是一种环境友好型能源。天然气被认为是最有希望替代常规石油燃料的能源之一。
天然气的大规模应用已经成为趋势。大规模使用天然气的一个主要挑战是：以安全和经济的方式储存甲烷。目前，天然气的存储方式主要有：压缩天然气存储(CNG)、液化天然气存储(LNG)、吸附天然气存储(ANG)等。其中新兴的技术是ANG，它是由多孔材料作为吸附剂，气体进入储罐后，利用吸附剂丰富的孔道和孔体积将气体可逆地吸附在材料的表面上。
氧化石墨烯有类似于石墨烯的六角形碳环结构，边缘和表面上有许多含氧官能团(如羧基(O-C＝O)、羟基(O-H)和环氧树脂(O-C-O))，使其性质更加活跃，是甲烷储存的最佳候选材料。在安全和经济的前提下，提高氧化石墨烯储存甲烷的能力成为了研究热点。
目前为提高氧化石墨烯的储存甲烷的能力，现有储存技术主要是采用超高压强或者超低温度来增大甲烷的储存量，但是现有储存技术的成本较高，提升吸附效果不明显，释放效果也不佳。也有技术提出碱金属修饰的氧化石墨烯来作为吸附材料，但其制作困难、成本较高。
发明内容
针对上述缺点，本发明提供了一种高效储存甲烷气体的方法，利用氧化石墨烯作为存储甲烷气体的吸附材料，在吸附存储和解吸附释放的过程中使用合适强度的外部直流电场进行诱导，技术容易实现，外部电场对甲烷的吸附储存和解吸附释放过程都起到促进作用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高效储存甲烷气体的方法，在高压直流电场的作用下控制氧化石墨烯吸附和解吸附甲烷的过程，提高了氧化石墨烯对甲烷的存储性能和释放性能，其中，高压直流电的输出电压不低于1kV，不高于5kV。
本发明技术方案的进一步改进在于：包括下述步骤：
(1)利用改进的Hummers法制备三层氧化石墨烯薄膜；
(2)将氧化石墨烯膜直接铺设在吸附罐中的样品筒中，称量样品筒的总质量，获得第一称量值；并在吸附罐内氧化石墨烯两侧安装电容极板；
(3)将吸附罐内温度设置298K，向内充入甲烷气体，使吸附腔内甲烷的压力值达到1MPa，同时，打开可调电压电源开关，给电容两极板施加电压，使吸附体系处于高压直流电场中；
(4)在达到设定吸附时间后，再次称量样品筒的总质量，获得第二称量值，并通过样品筒的重量变化获得甲烷吸附量；
(5)当需要对吸附罐中的甲烷进行释放时，将吸附腔内温度升高至425K，压力仍设置为1MPa，进行甲烷的释放，同时，打开可调电压电源开关，给电容两极板施加电压，使吸附体系再次处于高压直流电场中；
(6)在达到设定解吸附时间后，再次称量样品筒的总质量，获得第三称量值，并根据样品筒的重量变化获得甲烷释放量。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤(1)中改进的Hummers法的具体步骤如下：
A1、将2g石墨粉置于500mL的烧杯中，加120mL浓硫酸搅拌5min，在冰水浴下加入16g高锰酸钾并持续搅拌15min，得到墨绿色溶液
A2、将装有墨绿色溶液的烧杯置于45℃恒温水浴锅中，并控制中温水浴的搅拌时间为3h，得到褐色溶液；
A3、待中温反应结束后，向褐色溶液中加入50mL蒸馏水，并转入95℃的恒温水浴锅中进行搅拌，15min后取出加入与高温反应前相同体积的蒸馏水；
A4、为去除步骤A3反应中残余的MnO4 -和MnO2，高温反应后加入2mL双氧水，溶液的颜色变成鲜明的亮黄色；
A5、用蒸馏水将步骤A4的混合溶液洗至中性并进行超声1h，然后进行离心操作，取上清液于90℃下烘干24h，获得干燥的氧化石墨烯样品。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤(3)中通入甲烷气体之前需要启动真空泵将吸附罐的真空度设置为4Pa。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述的步骤(3)中，甲烷气体的纯度为99.9％。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明使用氧化石墨烯作为存储甲烷气体的吸附材料，并在吸附存储过程中使用合适强度的外部电场进行诱导，使得甲烷的存储量显著提升；同时，在气体解吸附时，配合合适强度的外部电场诱导，能够实现甲烷气体的高效释放；为天然气的高效存储提供一种新方法。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
一种高效储存甲烷气体的方法，包括下述步骤：
(1)利用改进的hummers法制备三层氧化石墨烯薄膜；
其中，改进的hummers法的具体步骤如下：首先，将2g的石墨粉置于500mL烧杯中，加入120mL浓硫酸搅拌5min，在冰水浴下加入16g高锰酸钾并持续搅拌15min，得到墨绿色溶液；接着，将烧杯置于45℃恒温水浴锅中，并控制中温水浴的搅拌时间为3h，得到褐色溶液；待中温反应后，向褐色溶液中加入50mL蒸馏水，并将其转入95℃的恒温水浴锅中进行搅拌，30min后取出，加入与高温反应前相同体积的蒸馏水。此时为去除上一步反应中残余的MnO4 -和MnO2，高温反应后加入2mL双氧水，溶液的颜色变成鲜明的亮黄色；最后，用蒸馏水将混合溶液洗至中性并进行超声1h，对混合溶液进行离心操作，取上清液于90℃下烘干24h，获得干燥的氧化石墨烯样品；
(2)将氧化石墨烯膜直接铺设在吸附罐中的样品筒中，称量样品筒的总质量，获得第一称量值；并在吸附罐内氧化石墨烯两侧安装电容极板；
(3)在通入甲烷气体之前，先启动真空泵将吸附罐的真空度设置为4Pa。将吸附腔内温度设置298K，向吸附腔内充入纯度为99.9％的甲烷气体，使吸附罐内甲烷的压力值达到1Mpa，并打开可调电压电源开关，给电容两极板施加电压，使吸附体系处于高压直流电场中。
(4)在达到设定吸附时间8h后，再次称量样品筒的总质量，获得第二称量值。第二称量值与第一称量值的差值比上第一称量值与样品筒自身重量的差值，结果即为吸附甲烷气体总量相对于氧化石墨烯质量的重量分数百分比。
(5)对吸附罐中的甲烷进行释放时，将吸附腔内温度升高至425K，压力仍设置为1Mpa，进行甲烷的释放(解吸附)。打开可调电压电源开关，给电容两极板施加电压，使吸附体系再次处于高压直流电场中。
(6)在达到设定解吸附时间8h后，再次称量样品筒的总质量，获得第三称量值。第二称量值与第三称量值的差值比上第二称量值与第一称量值的差值，结果即为甲烷的释放率。
以下实施例1-6为按照上述步骤进行外部电场诱导氧化石墨烯对甲烷的吸附和解吸附过程。实施例1与其他示例的区别为是否施加电压，实施例2-7的区别为施加直流电压的强度不同。实验结果如表1：
表1实施例1-6的实验结果表
实施例 电场强度 甲烷吸附率 甲烷释放率
1 0V 11.38wt％ 58.50％
2 900V 11.89wt％ 59.24％
3 1kV 14.46wt％ 63.07％
4 3kV 18.63wt％ 66.42％
5 5kV 21.27wt％ 68.61％
6 6kV 21.42wt％ 68.82％
从表1中能够得出：当外加电场强度低于1kV时，甲烷吸附率和甲烷释放率基本无提升；当外加电场强度高于5kV时，甲烷吸附率和甲烷释放率相对于外加电场强度为5kV时，基本无提升，从使用成本来考虑，外加电场强度高于5kV的意义不大。
实施例7-8为按照上述步骤进行外部电场诱导氧化石墨烯对甲烷的吸附和解吸附过程。实施例7-8的区别为所施加交流电的频率不同，强度为1kV。与实施例1-6的区别为施加电场为交流电场。实验结果如表2：
表2实施例7-8的实验结果表
实施例 电场强度 电场频率 甲烷吸附率 甲烷释放率
7 1kV 50HZ 11.56wt％ 58.95％
8 1kV 70HZ 11.42wt％ 58.61％
从表2中能够得出：当外加电场为交流电场时，甲烷吸附率和甲烷释放率基本无提升。

Claims (5)

1.一种高效储存甲烷气体的方法，其特征在于：在高压直流电场的作用下控制氧化石墨烯吸附和解吸附甲烷的过程，提高了氧化石墨烯对甲烷的存储性能和释放性能，其中，高压直流电的输出电压不低于1kV，不高于5kV。
2.根据权利要求1所述的一种高效储存甲烷气体的方法，其特征在于：包括下述步骤：
（1）利用改进的Hummers法制备三层氧化石墨烯薄膜；
（2）将氧化石墨烯膜直接铺设在吸附罐中的样品筒中，称量样品筒的总质量，获得第一称量值；并在吸附罐内氧化石墨烯两侧安装电容极板；
（3）将吸附罐内温度设置298K，向内充入甲烷气体，使吸附腔内甲烷的压力值达到1MPa，同时，打开可调电压电源开关，给电容两极板施加电压，使吸附体系处于高压直流电场中；
（4）在达到设定吸附时间后，再次称量样品筒的总质量，获得第二称量值，并通过样品筒的重量变化获得甲烷吸附量；
（5）当需要对吸附罐中的甲烷进行释放时，将吸附腔内温度升高至425K，压力仍设置为1MPa，进行甲烷的释放，同时，打开可调电压电源开关，给电容两极板施加电压，使吸附体系再次处于高压直流电场中；
（6）在达到设定解吸附时间后，再次称量样品筒的总质量，获得第三称量值，并根据样品筒的重量变化获得甲烷释放量。
3.根据权利要求2所述的一种高效储存甲烷气体的方法，其特征在于：所述步骤（1）中改进的Hummers法的具体步骤如下：
A1、将2g石墨粉置于500mL的烧杯中，加120mL浓硫酸搅拌5min，在冰水浴下加入16g高锰酸钾并持续搅拌15 min，得到墨绿色溶液；
A2、将装有墨绿色溶液的烧杯置于45℃恒温水浴锅中，并控制中温水浴的搅拌时间为3h，得到褐色溶液；
A3、待中温反应结束后，向褐色溶液中加入50mL蒸馏水，并转入95℃的恒温水浴锅中进行搅拌，15min后取出加入与高温反应前相同体积的蒸馏水；
A4、为去除步骤A3反应中残余的MnO4 -和MnO2，高温反应后加入2mL双氧水，溶液的颜色变成鲜明的亮黄色；
A5、用蒸馏水将步骤A4的混合溶液洗至中性并进行超声1h，然后进行离心操作，取上清液于90℃下烘干24h，获得干燥的氧化石墨烯样品。
4.根据权利要求2所述的一种高效储存甲烷气体的方法，其特征在于：所述步骤（3）中通入甲烷气体之前需要启动真空泵将吸附罐的真空度设置为4Pa。
5.根据权利要求2所述的一种高效储存甲烷气体的方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，甲烷气体的纯度为99.9%。
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