炭分子筛CH_4/N_2吸附分离（英文）

煤层气(CBM)是一种非常规天然气。在中国,煤层气在抽采出来时常混有空气。考虑到安全因素,氧气首先应该被去除。之后,煤层气利用的最重要步骤则是甲烷-氮气混合气体的甲烷高效提浓。本文搭建了双床变压吸附(PSA)装置,选择特定的炭分子筛(CMS)进行CH4/N2混合物分离实验研究。由于CMS的动力学吸附特性,氮被吸附在CMS上,带有一定压力的甲烷则连续输出。研究了吸附压力、进气速度和循环周期等因素对吸附过程整体性能的影响。从50%CH4/50%N2的原料气可以获得95.45%纯度的甲烷产品,而从30%CH4/70%N2的原料气可以获得94.89%纯度的甲烷产品。研究表明,以上3个参数都对分离性能有影响,其中后两者的影响更大。在较低吸附压力和较低进气速度时更容易获得纯度90%以上的甲烷产品。另外,循环周期越短,获得的甲烷纯度越高。     

AC/X-G吸附剂的制备及CH_4/N_2吸附分离性能

采用浓度为0.2 g·ml~(-1)的葡萄糖溶液对13X沸石/活性炭复合材料(AC/X)进行碳沉积,研究沉积次数对复合吸附剂(AC/X-G)孔结构、表面性质和CH_4/N_2吸附分离性能的影响。通过X射线衍射,77 K下的N2吸附/脱附,扫描电镜,CO_2-TPD以及红外光谱表征样品的晶型、孔结构和表面性质,在298 K、100 k Pa下对其CH_4和N_2吸附等温线进行测定,并将吸附结果与文献中碳材料和13X沸石的吸附性能进行比较。结果表明:随着沉积次数的增加,AC/X-G吸附剂中X型沸石的相对含量降低,微孔比表面积和微孔体积减少。AC/X-G的表面被碳膜覆盖,碱量降低,但出现强碱位和含氧基团C—O键。AC/X-G的CH_4和N_2吸附量下降,但吸附分离系数提高,沉积3次的样品AC/X-G-3的CH_4/N_2吸附分离系数达到3.0,表面的含氧基团有利于提高复合材料的CH_4/N_2吸附分离性能。     

CH_4和N_2在炭分子筛及13X沸石上的吸附分离

采用静态体积法测试了298.15K,313.15K和328.15K时,CH_4和N_2在太西煤基炭分子筛(T-CMS)及13X沸石上的吸附量,并使用Langmuir模型对吸附量数据进行了线性拟合,分析了拟合参数饱和吸附量qm和吸附平衡常数b值的变化.结果表明:随着温度的升高,CH_4在T-CMS上的饱和吸附量qm稍有减少,但变化不大,N_2在T-CMS上的饱和吸附量qm呈增大趋势;CH_4和N_2在13X沸石上的饱和吸附量qm均呈减小趋势,CH_4和N_2在T-CMS及13X沸石上的吸附平衡常数b值均随温度的升高而减小;CH_4和N_2在T-CMS上的分离系数均大于其在13X沸石上的分离系数,分离系数均随温度升高而减小.吸附热力学分析表明,CH_4和N_2在T-CMS上的等量吸附热平均值分别为27.30kJ/mol和22.43kJ/mol,而在13X沸石上的等量吸附热平均值分别为12.96kJ/mol和10.41kJ/mol,两种吸附剂对CH_4的吸附作用均强于其对N_2的吸附作用,且均属于物理吸附.     

CH_4/N_2在炭分子筛上的吸附平衡与扩散模型

使用高精密质量吸附仪(IGA-100,HIDEN)测定了CH4和N2纯组分在炭分子筛上于298、313和328 K温度下的吸附等温线及吸附动力学曲线,研究了CH4和N2在炭分子上的吸附热力学及动力学性质。选择Double Langmuir模型(DL)对吸附等温线数据进行了模拟;选择Fick扩散模型进行了吸附动力学的模拟。结果表明,DL模型可以准确地描述CH4和N2在炭分子筛上的吸附,拟合相关系数都非常接近1,N2在该炭分子筛上的吸附量大于CH4的吸附量;通过Fick扩算模型计算得:2 4N CHD/D=7.26,N2在该炭分子筛上的扩散速率大于CH4,所以该炭分子筛可以实现固定床出口直接富集CH4的目的。     

煤基活性炭的制备及CH_4/H_2分离性能

以神东煤为原料,KOH为活化剂制备高比表面积活性炭,分别考察碱煤比、活化温度和活化时间对活性炭孔结构的影响,并用于CH4和H2的吸附与分离.结果发现,制得活性炭的比表面积和孔容随碱煤比和活化时间的增加分别呈增加和先增加后减小的趋势,但比表面积受活化温度影响不大,孔容随活化温度升高而增加;适合于CH4和H2分离的活性炭的最佳制备条件为:碱煤比为5,活化温度800℃,活化时间为90min.     

炭分子筛CH4/N2吸附分离

煤层气(CBM)是一种非常规天然气。在中国,煤层气在抽采出来时常混有空气。考虑到安全因素,氧气首先应该被去除。之后,煤层气利用的最重要步骤则是甲烷-氮气混合气体的甲烷高效提浓。本文搭建了双床变压吸附(PSA)装置,选择特定的炭分子筛(CMS)进行CH₄/N₂混合物分离实验研究。由于CMS的动力学吸附特性,氮被吸附在CMS上,带有一定压力的甲烷则连续输出。研究了吸附压力、进气速度和循环周期等因素对吸附过程整体性能的影响。从50% CH₄/50% N₂的原料气可以获得95.45%纯度的甲烷产品,而从30% CH₄/70% N₂的原料气可以获得94.89%纯度的甲烷产品。研究表明,以上3个参数都对分离性能有影响,其中后两者的影响更大。在较低吸附压力和较低进气速度时更容易获得纯度90%以上的甲烷产品。另外,循环周期越短,获得的甲烷纯度越高。     

时间参数对VPSA分离CH_4/N_2效果影响

为提升VPSA分离煤层气CH4/N2吸附效果和改善吸附剂再生程度,在传统三塔PSA装置基础上,利用时间继电器增加均压工艺,利用真空泵增加抽真空工艺,分别测试不同吸附时间、均压时间和抽真空时间对脱附气或尾气中CH4浓度的影响。     

镍掺杂SiO_2膜的制备及CH_4/CO_2气体分离性能

以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,六水合硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)为镍源,采用溶胶--凝胶法制备镍掺杂SiO2膜。研究了水用量及镍含量对镍掺杂SiO2膜的结构及形貌的影响,并对其进行CH4、CO2气体渗透性能测试。结果表明:水酯比为5.5时,制备的10%Ni掺杂SiO2膜具有良好的微孔结构,且孔径约为1.16nm,孔隙率为64.9%。一部分Ni元素以Ni和NiO晶体形式填充于SiO2孔道内,另一部分以Si—O—Ni形式进入SiO2骨架。Ni掺杂SiO2膜在84h内能够保持良好的气体渗透性能,表现出比纯SiO2膜更好的水热稳定性。CH4和CO2的气体渗透通量分别为1.56×10--7和0.64×10--7 mol/(m2·s·Pa),CH4/CO2气体分离因子达到2.43。     

新型真空变压吸附法模拟分离N_2/CH_4/CO_2

依据活性炭对各组分吸附选择性差异,提出一种新型真空变压吸附(VPSA)工艺,可以在N2/CH4/CO2的三组分体系中富集CH4,该方法在传统的重组分提浓工序中加入了CH4和CO2产品气置换步骤,适用于对含低浓度CO2的煤层气甲烷富集。利用Aspen Adsorption软件对该过程进行模拟。原料气假设为体积分数9%CH4/6%CO2/85%N2,活性炭吸附剂对N2/CH4/CO2分离因子为1/4.15/10.62。在进料温度为298 K,吸附压力为0.6 MPa,解吸压力为-0.08 MPa条件下,运行稳态后能够将甲烷浓缩到体积分数77.172%,回收率高达97.923%。同时,CH4在轻重尾气中的体积分数分别仅为0.224%和0.673%。     

CH_4/N_2吸附分离技术中吸附材料的研究进展

近年来我国开采煤层气的步伐加快,而利用率低,其原因在于甲烷含量低和燃料效率低等。因此有效地富集提纯煤层气,开发高效的CH_4/N_2分离技术就显得尤为关键。相比较传统的分离技术,高效、经济的PSA吸附分离技术在CH_4/N_2中展示出广阔的前景。通过分析国内外传统吸附材料和新型吸附材料的研究现状,对其各自的吸附机理、吸附工艺进行探讨,为以后高效CH_4/N_2分离材料的开发和研究提供了新的参考依据,同时展望吸附分离技术在CH_4/N_2分离领域的发展与应用前景。     

不同CH_4/C_2H_4比例前驱体体系制备炭/炭复合材料的研究

对CH_4/C_2H_4前驱体体系进行热裂解工艺模拟,分析不同CH_4/C_2H_4比例对前驱体裂解程度以及裂解后产物组成的影响。采用CH_4/C_2H_4=2/1、CH_4/C_2H_4=6/1、CH_4/C_2H_4=10/1三种气体配比对预氧丝预制体进行化学气相渗积制备C/C复合材料,温度为1200℃,气压为20k Pa。对三种样品进行高温热处理后,分别进行偏光、XRD、冲击强度以及扫描电镜的表征。结果表明:由模拟得出的最易制得高织构炭的CH_4/C_2H_4比为6;通过实验验证,当CH_4/C_2H_4=6/1时,所制备的C/C复合材料的热解碳确为单一粗糙体结构。同时当CH_4/C_2H_4=6/1时,材料具有最高的冲击强度,在垂直和平行于布层两个方向上分别达到23.53k J/m2和22.92k J/m~2,并且垂直方向的冲击强度均高于平行方向。     

吸附时间对VPSA分离CH_4/N_2效果的影响

利用三塔真空变压吸附装置,对低浓度原料气CH4/N2分离效果进行实验。研究了均压时间不同时的吸附时间对吸附分离效果的影响,并针对整个吸附装置、每个塔中CH4浓度与吸附时间的关系分别进行分析。实验表明,在一定条件下,吸附时间长短会影响每个塔反应釜内被浓度覆盖的区域变化,即在不被原料气穿透前提下,存在最佳吸附时间。通过分析吸附时间的作用,提高原料气VPSA分离CH4/N2的效果。     

沸石分子筛对CO_2/CH_4混合气的分离效果研究

选取5A沸石分子筛作为脱碳吸附材料,考察了其对CO2及CH4单组份的吸附效果。结果表明,5A分子筛真空解吸在1 h 50 min即可达到解吸、脱碳、再生的目的,且经8次重复吸附-解吸后仍具有较高及较稳定的脱碳效率。将5A分子筛应用到沼气实际分离实验中,在沼气中n(CO2)∶n(CH4)=40∶60的条件下,经单塔处理可达0.17 m3/kg处理量,甲烷纯度可达97%以上,且连续处理速率为0.60 m3/(h·kg),该研究为今后的沼气分离工程提供了技术参数。     

载体改性制备SAPO-34分子筛膜及其H_2/CO_2分离性能的研究

以四乙基氢氧化铵(TEAOH)为模板剂,采用传统水热法合成粒径为纳米级SAPO-34分子筛。利用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)对载体表面进行改性,再用二次生长法在改性载体上成功制备出高性能SAPO-34分子筛膜。通过X-射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对合成的SAPO-34分子筛以及SAPO-34分子筛膜进行表征。结果表明,制备出的SAPO-34分子筛膜连续致密,且结晶度高。对SAPO-34分子筛膜进行气体分离测试以评价其性能,在298 K,膜两侧压差为0.1 MPa条件下,SAPO-34分子筛膜对H_2/CO_2的分离选择性从1.45提高到6.20,CO_2的渗透率也高达1.76×10~(-7)mol/(m~2·s·Pa)。     

g-C_3N_4/TiO_2/BiPO_4的制备及光催化性能研究

以硝酸铋、磷酸二氢钠为原料,水热法制得BiPO_4;以尿素为原料,高温烧结制得石墨相氮化碳(g-C_3N_4);采用凝胶-溶胶法,将它们与钛酸丁酯反应制得g-C_3N_4/TiO_2/BiPO_4复合光催化剂。用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、紫外漫反射(UV-Vis)对复合催化剂的结构、形貌及光响应特性进行表征。通过对碱性品绿的光催化降解研究,证明了该催化剂具有响应波长范围宽,相应强度大,光催化效果好的优点。催化剂用量为0.03 g,降解溶液pH=4,50 mL碱性品绿初始浓度为30 mg/L,使用100 W的氙灯,降解15 min,碱性品绿降解率可达99.70%。h⁺、·O+、·O^-_2、·OH捕获实验证明,3种活性基团在碱性品绿降解过程都发挥了作用,贡献大小为:h-_2、·OH捕获实验证明,3种活性基团在碱性品绿降解过程都发挥了作用,贡献大小为:h⁺>·O+>·O^-_2>·OH。     

核桃壳活性炭炭化条件及其对CH_4/N_2分离的影响

研究不同炭化条件对核桃壳活性炭的孔隙结构及表面化学性质的影响,探讨其与CH4/N2吸附分离性能的关系。利用N2吸附等温线、FT-IR和Boehm滴定法测定活性炭的孔结构与表面化学性质,扫描电镜分析形貌结构,ASAP2020M型物理吸附仪测定活性炭对CH4/N2等温吸附线。结果表明,炭化温度250℃、炭化时间60 min时,制备所得活性炭AC-T250具有较大BET比表面积(1 786.68 m2/g)、微孔孔容(0.534 cm3/g),以及较大表面总碱量,使其对CH4吸附量提高,在100 k Pa,298 K时CH4吸附量达1.2185 mmol/g。     

碳纳米管吸附分离CH_4/N_2二元混合物的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛模拟与理想吸附溶液理论相结合的方法研究了CH_4、N_2及其混合物在(6,6)碳纳米管簇内的吸附性能。探讨了压力、温度及气相组成对混合物分离性能的影响。CH_4选择性在9.4~10.8变化,并随着压力的升高呈现出先略微上升后下降的趋势。IAST模型可很好地预测压力及气相组成对混合物分离性能的影响,平均相对偏差分别为2.12%和1.49%。此外,随着温度由300 K升高至500 K,CH_4选择性降低了63.19%。     

二价铬/钼/镍空配位MOFs的CH_4/N_2吸附分离研究

基于金属有机骨架材料中金属空配位对气体的强吸附作用,利用具有较高活性的二价金属Cr~(2+)/Mo~(2+)/Ni~(2+)与均苯三酸(H_3BTC)配位合成了HKUST-1(Cu-BTC)同构系列材料M-BTC(M=Cr、Mo、Ni),并与Cu-BTC对比分析了该类型材料中不同金属空配位对甲烷和氮气的吸附性能。实验结果显示,此三种材料均具有较好的甲烷选择吸附性,其中含Ni~(2+)金属空位的Ni-BTC以其尤为突出的甲烷吸附热值而呈现较好的CH_4/N_2分离潜力;Cr~(2+)空配位虽具有较强活性,但是对于甲烷的选择性吸附性能却低于含Cu~(2+)空位的Cu-BTC材料。结合吸附选择性IAST计算分析得到此三种含较高活性不饱和金属空配位的MOFs材料对于甲烷选择性吸附作用能顺序为:Ni-BTCMo-BTCCu-BTCCr-BTC。     

分子筛对CH_4/空气混合气的变压吸附分离研究

为提高煤层气变压吸附浓缩效果,以一种商品分子筛为对象,研究了该分子筛在小型四塔变压吸附装置上的CH4/空气混合气浓缩分离效果,分析了吸附时间、吸附压力以及原料气浓度对混合气浓缩效果的影响。结果表明,吸附时间过长或吸附压力过高,均不利于获得较好的产品气浓度及回收率。吸附时间180 s,吸附压力300 k Pa时,试验商品分子筛对CH4/N2的浓缩分离效果最佳。其中,10%浓度原料气提浓至30.56%,提高约20%,产品气中CH4回收率达到94.45%,对原料气的处理量达到67.77 m3/(t·h);35%浓度原料气提浓至76.33%,提高约40%,产品气中CH4回收率达到69.68%,对原料气的处理量达到68.99 m3/(t·h);65%原料气提浓至89.18%,提高约25%,产品气中CH4回收率达到87.22%,对原料气的处理量达到83.36 m3/(t·h)。     

不同结构活性炭对CO_2、CH_4、N_2及O_2的吸附分离性能

制备了比表面积为1943 m2/g的纯微孔活性炭AC-1和比表面积为1567 m2/g,中孔比例为47.18%的活性炭AC-2.分别以AC-1及AC-2为吸附剂测定CO2、CH4、N2和O2的298 K吸附等温线,考察了两种活性炭对CO2/N2、CO2/CH4及CH4/N2气体混合物的吸附分离性能.实验结果表明,孔结构是影响吸附剂吸附分离性能的主要因素.富中孔活性炭AC-2较AC-1更适用于CO2/N2、CO2/CH4气体混和物的吸附分离,而微孔活性炭AC-1对CH4/N2混合体系的吸附分离性能优于AC-2.