中科院电工所张国强团队特稿：活性氧化铝和分子筛对C3F7CN/CO2及其过热分解产物的吸附特性
智能电气设备研究团队隶属于中国科学院电工研究所微纳加工技术与智能电气设备研究部，由研究员和副研究员3名、助研1名、在读博士生和硕士生共10余人组成。课题组主要从事高压电气设备在线监测与故障诊断技术的研究，发展检测专有技术和相关装备，在研项目包括国家重点研发计划、国家自然科学基金和企事业项目等。
团队负责人：张国强，工学博士，中国科学院电工研究所研究员，博士生导师，致力于变压器设计、高压电气设备在线监测与故障诊断技术研究和光谱学检测仪器研制，承担国家级省部级项目10余项。获得授权的发明专利35项；国内外学术刊物与会议上发表论文50余篇，合著2部。获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖1项和三等奖2项。
环境友好型气体绝缘介质全氟异丁腈C4F7N在介电特性和环保方面表现良好，具有替代SF6气体的可能性。本文对10%C4F7N/90%CO2混合气体实施了3h的650℃过热模拟实验，通过气相色谱质谱联用技术（GC/MS）检测C4F7N/ CO2混合气体及其过热条件下的分解组分，对比分析了四种常用吸附剂γ-Al2O3和分子筛（3A、4A和5A）对绝缘介质C4F7N、缓冲气体CO2及其混合气体分解产物的吸附特性。本文的研究结果可为C4F7N气体绝缘电力设备中吸附剂的选择提供一定参考。
气体绝缘电力设备可能会因固体绝缘表面残留水分或长期工作在潮湿环境中使得设备内部水分超出规定值，进而影响设备的稳定运行。此外，绝缘介质在放电或过热故障下会发生分解，产生有毒或腐蚀性气体。因此，气体绝缘电力设备中往往配有吸附剂以吸附水分和故障分解产物。
C4F7N作为一种新型绝缘介质用于气体绝缘电力设备中时，吸附剂的选择不仅要考虑水分和分解产物的吸附特性，还要具备良好的选择性和吸附能力。然而，不同种类吸附剂对绝缘介质C4F7N、缓冲气体及其分解产物的吸附性能强弱的综合评价尚未有详细报道。
本文对10%C4F7N/90%CO2混合气体实施了3小时的650℃过热模拟实验，对比分析了450 kPa下四种常用吸附剂γ-Al2O3和分子筛（3A、4A和5A）的吸附特性。吸附时间360小时，吸附剂质量为气体质量的10%。
图1 过热分解模拟实验平台和吸附实验装置示意图
首先通过对比C4F7N/CO2混合气体的过热分解组分与标准气体的保留时间，可以确定分解产物包括CO、CF4、C2F6、C3F8和C3F6化合物；通过查询和对比美国标准局（NIST）的质谱库数据库，初步判断分解组分还包括C2F4、(CF3)3CF（以下简称i-C4F10）、C2F5CN、CF3CN和CNCN。C4F7N/CO2过热分解组分的色谱检测结果如图2所示。
图2 C4F7N/CO2混合气体过热分解组分色谱检测结果
随后，通过测定色谱峰面积随吸附时间的变化，综合比较了四种吸附剂对绝缘介质C4F7N、缓冲气体CO2及其分解组分的吸附选择性和吸附性能。
1）当吸附剂用量比为绝缘介质质量的10%时，图3显示，3A、4A和5A分子筛几乎不吸附绝缘介质C4F7N，但实验发现γ-Al2O3能吸附C4F7N。
图3 分子筛和活性氧化铝对C4F7N的吸附特性
2）当吸附剂用量比为绝缘介质质量的10%时，吸附剂使用前后CO2的峰面积没有明显变化。
值得注意的是，5A分子筛在工业上常被用作CO2捕集剂，即将天然气或空气等通过较大的吸附床达到净化目的。图4所示，CO2的分子尺寸比5A分子筛的孔径小，可以进入5A分子筛晶穴内部，5A分子筛对CO2气体具有一定的吸附能力。工业上净化气体时所使用的吸附剂质量和气压与本文实验条件的相比要高的多，会大大增强分子筛吸附CO2的能力。
图4 C4F7N和CO2分子的范德华表面和尺寸参数
3）四种吸附剂对分解组分的吸附具有选择性。四种吸附剂几乎不吸附CO和全氟碳类气体（CF4、C2F6、C2F4、C3F6、C3F8、i-C4F10），但能有选择地吸附腈类气体（CNCN、CF3CN和C2F5CN）。其中，四种吸附剂均能吸附CNCN气体，吸附效率由高到低为5A>γ-Al2O3>4A>3A；γ-Al2O3和5A分子筛能吸附CF3CN气体，吸附效率γ-Al2O3>5A，但3A和4A几乎不吸附CF3CN；只有γ-Al2O3能够吸附C2F5CN气体。
图5 分子筛和活性氧化铝对腈类气体的吸附特性
由于气压、温度和吸附剂质量等因素均会影响吸附剂的吸附性能。因此，吸附剂用于电力设备中时，要适当选择吸附剂的质量，使吸附剂能够充分吸附水分和分解产物，同时避免吸附绝缘气体本身。综合对比这四种吸附剂对气体的吸附选择性和吸附效率发现，γ-Al2O3不适合用于C4F7N/CO2混合气体作为绝缘介质的电力设备中；5A分子筛的吸附性能最好。但5A分子筛不能吸附有毒气体CO和全氟碳类气体，需要继续寻找其他合适的吸附剂。
赵明月, 韩冬, 周朕蕊, 张国强. 活性氧化铝和分子筛对C3F7CN/CO2及其过热分解产物的吸附特性[J]. 电工技术学报, 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.