中科院張國強團隊:活性氧化鋁和分子篩對新型環保氣體的吸附特性

團隊介紹

中科院張國強團隊:活性氧化鋁和分子篩對新型環保氣體的吸附特性

智能電氣設備研究團隊隸屬於中國科學院電工研究所微納加工技術與智能電氣設備研究部,由研究員和副研究員3名、助研1名、在讀博士生和碩士生共10餘人組成。課題組主要從事高壓電氣設備在線監測與故障診斷技術的研究,發展檢測專有技術和相關裝備,在研項目包括國傢重點研發計劃、國傢自然科學基金和企事業項目等。

中科院張國強團隊:活性氧化鋁和分子篩對新型環保氣體的吸附特性

團隊負責人:張國強,工學博士,中國科學院電工研究所研究員,博士生導師,致力於變壓器設計、高壓電氣設備在線監測與故障診斷技術研究和光譜學檢測儀器研制,承擔國傢級省部級項目10餘項。獲得授權的發明專利35項;國內外學術刊物與會議上發表論文50餘篇,合著2部。獲國傢科技進步二等獎1項、省部級科技進步一等獎1項和三等獎2項。

導語

環境友好型氣體絕緣介質全氟異丁腈C4F7N在介電特性和環保方面表現良好,具有替代SF6氣體的可能性。本文對10%C4F7N/90%CO2混合氣體實施瞭3h的650℃過熱模擬實驗,通過氣相色譜質譜聯用技術(GC/MS)檢測C4F7N/ CO2混合氣體及其過熱條件下的分解組分,對比分析瞭四種常用吸附劑γ-Al2O3和分子篩(3A、4A和5A)對絕緣介質C4F7N、緩沖氣體CO2及其混合氣體分解產物的吸附特性。本文的研究結果可為C4F7N氣體絕緣電力設備中吸附劑的選擇提供一定參考。

研究背景

氣體絕緣電力設備可能會因固體絕緣表面殘留水分或長期工作在潮濕環境中使得設備內部水分超出規定值,進而影響設備的穩定運行。此外,絕緣介質在放電或過熱故障下會發生分解,產生有毒或腐蝕性氣體。因此,氣體絕緣電力設備中往往配有吸附劑以吸附水分和故障分解產物。

C4F7N作為一種新型絕緣介質用於氣體絕緣電力設備中時,吸附劑的選擇不僅要考慮水分和分解產物的吸附特性,還要具備良好的選擇性和吸附能力。然而,不同種類吸附劑對絕緣介質C4F7N、緩沖氣體及其分解產物的吸附性能強弱的綜合評價尚未有詳細報道。

論文方法及創新點

本文對10%C4F7N/90%CO2混合氣體實施瞭3小時的650℃過熱模擬實驗,對比分析瞭450 kPa下四種常用吸附劑γ-Al2O3和分子篩(3A、4A和5A)的吸附特性。吸附時間360小時,吸附劑質量為氣體質量的10%。

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圖1 實驗平臺和吸附實驗裝置

首先通過對比C4F7N/CO2混合氣體的過熱分解組分與標準氣體的保留時間,可以確定分解產物包括CO、CF4、C2F6、C3F8和C3F6化合物;通過查詢和對比美國標準局(NIST)的質譜庫數據庫,初步判斷分解組分還包括C2F4、(CF3)3CF(以下簡稱i-C4F10)、C2F5CN、CF3CN和CNCN。C4F7N/CO2過熱分解組分的色譜檢測結果如圖2所示。

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圖2 過熱分解組分色譜檢測結果

隨後,通過測定色譜峰面積隨吸附時間的變化,綜合比較瞭四種吸附劑對絕緣介質C4F7N、緩沖氣體CO2及其分解組分的吸附選擇性和吸附性能。

1)當吸附劑用量比為絕緣介質質量的10%時,圖3顯示,3A、4A和5A分子篩幾乎不吸附絕緣介質C4F7N,但實驗發現γ-Al2O3能吸附C4F7N。

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圖3 分子篩和活性氧化鋁對C4F7N的吸附特性

2)當吸附劑用量比為絕緣介質質量的10%時,吸附劑使用前後CO2的峰面積沒有明顯變化。

值得註意的是,5A分子篩在工業上常被用作CO2捕集劑,即將天然氣或空氣等通過較大的吸附床達到凈化目的。圖4所示,CO2的分子尺寸比5A分子篩的孔徑小,可以進入5A分子篩晶穴內部,5A分子篩對CO2氣體具有一定的吸附能力。工業上凈化氣體時所使用的吸附劑質量和氣壓與本文實驗條件的相比要高的多,會大大增強分子篩吸附CO2的能力。

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圖4 C4F7N和CO2分子的范德華表面和尺寸參數

3)四種吸附劑對分解組分的吸附具有選擇性。四種吸附劑幾乎不吸附CO和全氟碳類氣體(CF4、C2F6、C2F4、C3F6、C3F8、i-C4F10),但能有選擇地吸附腈類氣體(CNCN、CF3CN和C2F5CN)。其中,四種吸附劑均能吸附CNCN氣體,吸附效率由高到低為5A>γ-Al2O3>4A>3A;γ-Al2O3和5A分子篩能吸附CF3CN氣體,吸附效率γ-Al2O3>5A,但3A和4A幾乎不吸附CF3CN;隻有γ-Al2O3能夠吸附C2F5CN氣體。

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圖5 分子篩和活性氧化鋁對腈類氣體的吸附特性

結論

由於氣壓、溫度和吸附劑質量等因素均會影響吸附劑的吸附性能。因此,吸附劑用於電力設備中時,要適當選擇吸附劑的質量,使吸附劑能夠充分吸附水分和分解產物,同時避免吸附絕緣氣體本身。綜合對比這四種吸附劑對氣體的吸附選擇性和吸附效率發現,γ-Al2O3不適合用於C4F7N/CO2混合氣體作為絕緣介質的電力設備中;5A分子篩的吸附性能最好。但5A分子篩不能吸附有毒氣體CO和全氟碳類氣體,需要繼續尋找其他合適的吸附劑。

引用本文

趙明月, 韓冬, 周朕蕊, 張國強. 活性氧化鋁和分子篩對C3F7CN/CO2及其過熱分解產物的吸附特性[J]. 電工技術學報, 2020, 35(1): 88-96. Zhao Mingyue, Han Dong, Zhou Zhenrui, Zhang Guoqiang. Adsorption Characteristics of Activated Alumina and Molecular Sieves for C3F7CN/CO2 and Its Decomposition By-Products of Overheating Fault. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 88-96.

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