[發明專利]甲烷/氮氣分離吸附劑及其制備方法

在審

• 申請號: 201510065858.0
• 申請日: 2015-02-07
• 公開（公告）號: CN104667868A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 程文萍;張明勝;崔杏雨;馬靜紅;李瑞豐
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;B01D53/047;C07C7/12;C07C9/04
• 代理公司: 太原華弈知識產權代理事務所 14108
• 代理人: 李毅

技術領域

本發明屬于氣體分離用吸附劑技術領域，涉及一種氣體分離吸附劑，特別是涉及一種用于甲烷和氮氣分離的分離吸附劑。

背景技術

甲烷是高效潔凈的能源和重要的化工原料，從煤層氣、天然氣、油田氣等中分離提純甲烷，對于保護生態環境和緩解能源危機都具有積極意義。煤層氣、天然氣、油田氣等的主要組成是CO₂、CH₄和N₂等，CO₂與CH₄分子物理性質差別大，易于分離，但N₂與CH₄的臨界溫度都很低，二者物理性質相近，動力學直徑接近，不易分離，所以分離甲烷的關鍵是實現CH₄/N₂的有效分離。

目前，應用于CH₄/N₂分離的技術主要有低溫深冷分離、膜分離和變壓吸附分離等。變壓吸附分離技術因其設備簡單、操作靈活方便、運行能耗低等優點，成為備受關注的甲烷分離技術之一。變壓吸附氣體分離技術的基礎是吸附劑，其性能不僅影響最終的分離效果，而且影響工藝步驟的復雜性和使用壽命。目前，用于CH₄/N₂的分離吸附劑主要有活性炭、沸石分子篩和炭分子篩。

活性炭和沸石分子篩的應用是基于平衡吸附的分離原理。活性炭比表面積高，孔隙結構發達，被廣泛應用于氣體的分離和凈化。CN1150966C公開了一種以微孔為主、比表面積高達1700m²/g以上的高比表面活性炭的制備方法，以及其作為吸附劑在變壓吸附循環中分離甲烷和氮氣的應用。CN101531365B公開了一種變壓吸附分離甲烷和氮氣型體活性炭的制備方法。雖然上述活性炭作為吸附劑在分離甲烷和氮氣的領域中取得一定的效果，但是甲烷和氮氣的平衡分離系數偏低，分離效果不佳。

沸石分子篩是結晶硅鋁酸鹽，晶穴內部有強大的庫侖場和極性，使其易于吸附極性較強、極化率較大的分子，通過離子交換可以改善其表面電性和調變其孔口尺寸，分離具有微小差異的氣體分子。沸石分子篩對于極化率較高的甲烷和具有四極矩的氮氣均具有較高的吸附容量，但是兩者的分離比偏低。

CN101234333A公開了一種由煤矸石和瀝青粉為主要原料的沸石/活性炭型體復合材料的制備方法。該復合材料結合了沸石和活性炭的孔結構和表面性質，但是CH₄/N₂的平衡分離比依然較低，碳含量為20%的X型沸石/活性炭型體復合材料在25℃、100KPa條件下的CH₄和N₂吸附量分別為14.5cm³/g和6.8cm³/g，CH₄/N₂平衡分離比僅為2.1，不利于CH₄/N₂的分離。

發明內容

本發明的目的是提供一種甲烷/氮氣分離吸附劑，以提高CH₄/N₂平衡分離比，實現甲烷與氮氣的有效分離。

本發明所述的甲烷/氮氣分離吸附劑是以X型沸石/活性炭型體復合材料為基礎，通過將復合材料置于鉀離子溶液體系中，使復合材料上的鈉離子被交換為鉀離子而得到的KX型沸石/活性炭型體復合材料。

其中，所述X型沸石/活性炭型體復合材料的碳含量為14～40wt%。

優選地，本發明所述用于離子交換的鉀離子溶液為氯化鉀溶液或硝酸鉀溶液。

更優選地，所述鉀離子溶液的鉀離子濃度為0.1～1.5mol/L。

本發明提供了所述甲烷/氮氣分離吸附劑的具體制備方法，是按照復合材料與鉀離子溶液的質量體積比為1∶20～30，將X型沸石/活性炭型體復合材料浸漬在0.1～1.5mol/L的鉀離子溶液中，60～90℃下離子交換40～60min，取出洗滌烘干后，制成KX型沸石/活性炭型體復合材料。

一般地，本發明制備方法中，所述離子交換過程重復進行1～3次。

本發明制備得到的KX型沸石/活性炭型體復合材料可以作為甲烷和氮氣的高效分離吸附劑，應用于變壓吸附氣體分離技術中。