Sorpcja wymienna CO2/CH4 na materie węglowym w stanie obciążenia okólnego
NCN, OPUS 12, 2016/23/B/ST8/00744,
Jednostka realizująca: Instytut Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk
Kierownik projektu : dr hab. Norbert Skoczylas skoczylas@imgpan.pl
Przyznana kwota: 611 500 PLN, Rozpoczęcie: 2017-10-18, Zakończenie: 2021-10-17
1. Cel prowadzonych badań / hipoteza badawcza
Celem prowadzonych prac będzie zbadanie przebiegu i mechanizmu sorpcji wymiennej CO2/CH4 w materiale węglowym, znajdującym się w warunkach obciążenia okólnego. Planowane badania obejmą szereg problemów naukowych do rozwiązania. Umożliwią m.in. gruntowną analizę zmian pojemności sorpcyjnych i objętości (pęcznienie/kurczenie sorpcyjne) próbki węglowej przy różnych ciśnieniach okólnych dla poszczególnych punktów równowagi sorpcyjnej oraz analizę zmian jakościowych i ilościowych mechanizmu sorpcji wymiennej przy różnym obciążeniu okólnym i różnym gradiencie ciśnienia. Określony zostanie ponadto wpływ procesu sorpcji wymiennej CO2/CH4 na materiale węglowym w stanie obciążenia okólnego, na jego właściwości strukturalne.
2. Zastosowana metoda badawcza / metodyka
Plan badawczy obejmuje główne badania sorpcyjne, tj.: analizę przebiegu procesów sorpcji wymiennej CO2/CH4 na próbce węglowej, efektywność wymiany gazów sorbowanych, kinetykę przemieszczania się strefy wymiany w próbce w warunkach obciążenia okólnego, pęcznienie sorpcyjne oraz dodatkowe badania zmian powstałych w strukturze porowatej próbki. Główne badania sorpcyjne zrealizowane będą z wykorzystaniem izobaryczno-izotermicznej metody wolumetrycznej oraz przepływowej metody przy zachowaniu stałego gradientu ciśnienia gazu. Do badań tych skonstruowana zostanie unikatowa autorska aparatura, która, realizując poszczególne cele badawcze, umożliwi kompleksową ocenę wpływu obciążenia okólnego na parametry układu węgiel-gaz w warunkach izotermicznych i izobarycznych.
Przed i po głównych badaniach sorpcyjnych wybrane próbki węglowe poddane zostaną analizom technicznym i strukturalnym. Do dodatkowych badań strukturalnych zastosowana zostanie metoda skaningowej mikroskopii elektronowej, która umożliwi obserwację zmian topografii powierzchni próbek i określi ich skład fazowy. Do charakterystyki zmian struktury porowatej próbek wykorzystana zostanie porozymetria rtęciowa, niskociśnieniowa adsorpcja gazowa oraz piknometria helowa. Metody te pozwolą na określenie zmian w porowatości, wielkości i dystrybucji porów w próbkach po badaniach sorpcji wymiennej pod obciążeniem.
3. Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki, cywilizacji, społeczeństwa
Mechanizm procesów sorpcyjnych w węglu jest przedmiotem badań naukowych od wielu lat. Dobrze rozpoznane są procesy sorpcji pojedynczych gazów oraz ich mieszanin na materiale węglowym. Prowadzone były badania sorpcji gazów na materiale węglowym pod obciążeniem. Dogłębny przegląd literatury wykazał, że tematyką jak dotąd nierozpoznaną jest zagadnienie sorpcji wymiennej CO2/CH4 na materiale węglowym w stanie obciążenia okólnego.
Mnogość zależności, które w trakcie procesów sorpcyjnych w stanie obciążenia okólnego sorbentu węglowego mogą zostać zarówno zaobserwowane eksperymentalnie, jak i oszacowane ilościowo, to brakujące ogniwo szeroko pojętych badań układu węgiel-gaz. Z całą pewnością unikatowa jest propozycja przebadania sorpcji wymiennej CO2/CH4 w warunkach obciążenia okólnego węgla z uwzględnieniem czynnika czasu i przestrzeni. Badania takie przewidziane są w ramach realizacji niniejszego projektu. Rezultatem realizacji projektu będzie szczegółowy opis relacji: sorpcja wymienna – obciążenie okólne sorbentu – sorpcyjne pęcznienie sorbentu.
Aparatura badawcza zbudowana w ramach realizacji projektu.
Przykładowe wyniki zarejestrowane w trakcie eksperymentów wymiany sorpcyjnej.