用于N/CH和CO/CH体系分离的新型吸附剂研究

摘要

抽放煤层气和垃圾填埋气的主要成分分别为N2/CH4和CO2/CH4。变压吸附法用于处理这种小规模气体非常具有优势，但关键是缺乏高选择性的吸附剂。本课题针对用于分离这两个体系(N2/CH4和CO2/CH4体系)高选择性新型吸附剂进行了研究。
　　 以N2为强吸附组分的天然斜发沸石和ETS-4沸石分子筛可以通过变压吸附分离方法直接得到CH4产品气，是非常具有发展前景的吸附剂。本论文首先对我国不同产地的四种天然斜发沸石进行了筛选，发现产自吉林的斜发沸石性能最好。在不同温度下对其焙烧改性，发现在100 ℃焙烧的沸石为CH4 选择性，而在280 ℃焙烧的沸石为N2 选择性吸附剂。
　　 为了进一步改善其吸附性能，又对其进行离子交换改性研究，发现在室温下交换3 次的Na-发沸石效果最好，为氮气选择性吸附剂，1个大气压下氮气/ 甲烷吸附量之比为4.37；而Ca、Mg、Li、K、Sr、NH4-斜发沸石对N2和CH4的吸附量差别不大。接着又合成了ETS-4钛硅分子筛，对其进行了表征，其XRD和SEM结果与文献相同，说明合成样品为ETS-4分子筛。对其进行了Sr离子交换改性，改性后其对N2和CH4的吸附容量不如Na-斜发沸石高，但是相同大气压下N2/CH4吸附量之比高于Na-斜发沸石。
　　 将CO2吸收剂负载在介孔分子筛上，使介孔分子筛的介孔与吸收作用结合起来，如果对CO2的吸附效果能大大提高，则会成为高选择性CO2 吸附剂。首先合成介孔分子筛SBA-15，以DIPA、MDEA、NMP、DGDE、TEPPC等对其改性。研究证明，改性后的SBA-15仍保持高度有序的六方结构。通过对比，发现负载DIPA后的SBA-15对CO2和CH4的分离因子最高，其吸附的CH4可以完全再生，而CO2在6次稳定性实验后吸附量达到稳定，稳定后CO2/CH4的分离因子为15.5。随后研究了温度对CO2和CH4吸脱附性能的影响，发现高温有利于吸附，低温有利于解吸，45℃时对CO2/CH4的综合分离性能最好。