[发明专利]一种PSA用分离精制CO2气体的碳分子筛及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新材料领域，具体提供了一种PSA用分离精制CO₂气体的碳分子筛及制备方法。 

背景技术

碳分子筛(CMS)是近二十年来发展起来的一种新型碳质吸附剂。作为一种特殊的活性炭，碳分子筛与传统的碳质吸附剂相比，孔径分布更为狭窄，其尺寸接近于一些小分子的关键尺寸，因而使得这些小分子可以根据他们的尺寸不同而被分离。由于碳分子筛具有良好的吸附分离性能和优良的耐酸碱性、疏水性和化学稳定性，已广泛应用于食品卫生、医疗、催化、空分制氮、焦炉气中氢气回收等各方面；生产碳分子筛的原料也已发展为包括有机高分子聚合物、各种煤、植物类和石油焦在内的多种物质；尤其变压吸附分离技术(PSA)的日益成熟，使得高性能的碳分子筛在大规模的气体分离精制方面显示出更广泛的应用前景。至今，生产高性能碳分子筛关键技术仍被世界上少数几个发达国家所垄断，主要有德国BF(Bergbau Forschung)公司、美国Calgon公司和日本Takeda(武田)公司。我国虽然也能生产和研发碳分子筛，但是在高性能CMS方面，同先进水平仍有差距，包括品种单一（绝大部分应用于氮氧的分离）、质量不稳定等。 

目前，国内的高纯度（食品级）CO₂气体的生产广泛采用变压吸附分离技术(PSA)结合低温液化精馏过程。具体地说，根据原料气体来源及原料气体中的杂质种类和含量，针对性地选择吸附剂并应用变压吸附分离技术(PSA)来获得较高浓度的CO₂气体，然后利用低温液化精馏过程进一步分离提纯，最终得到高纯度（食品级）CO₂。总体说来，高性能碳分子筛大多应用于(PSA)氮氧分离，鲜有报道其取代低温液化精馏过程来生产高纯度（食品级）CO₂气体。本发明的发明人所采用的高纯度（食品级）CO₂气体的生产技术是变压吸附分离（PSA)结合低温液化精馏过程，以变换气PSA氢提纯尾气为原料，生产食品级液体CO₂。虽然该工艺技术成熟可靠，但是利用低温液化精馏处理PSA解吸的CO₂尾气，以脱除少量H₂、N₂、和CO等小分子物种，存在着能耗高的缺点。而为了改变这一情况，尽快获得高效碳分子筛(CMS)并将其应用于PSA过程，来脱除CO₂尾气中少量H₂、N₂、和CO等小分子物种，取代低温液化精馏过程，达到节能降耗的目的已经刻不容缓。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足之处，提供了一种PSA用分离精制CO₂气体的碳分子筛及制备方法，更具体的提供了以固定碳含量≥85wt%的碳源为原料制备高效碳分子筛吸附剂及制备方法，用于PSA分离精制CO₂气体。以石油焦为原料，通过一系列的物理和化学手段，合成孔径为0.2~0.5nm的石油焦基碳分子筛。本发明的效果和益处是吸附剂对CO₂气体中少量的小分子物种如：H₂、 N₂、CO等的捕集效率高，再生性能好，抗压性强，是一种应用前景广阔的气体变压吸附剂。 

本发明提供的PSA用分离精制CO₂气体的碳分子筛，该分子筛以石油焦或煤基活性炭或生物质活性炭等为原料，优选采用石油焦为原料，其孔径大小为0.2~0.5nm，颗粒强度≥100N/颗。 

将上述的碳分子筛应用于变压吸附分离过程（PSA），能够脱除二氧化碳气体（CO₂≥95vt%）中少量的H₂、N₂、和CO等小分子物种（≤5vt%），使二氧化碳气体纯度在99.9vt%以上，单位产量二氧化碳气体的能耗比低温液化精馏过程减少10%以上，明显高于现有技术中的效果。 

上述的碳源中固定碳含量≥85wt%，除了本发明上述的石油焦为原料外，还可以采用固定碳含量≥85wt%的煤基活性炭、生物质活性炭、石油沥青、煤焦油沥青等原料，其中主要考虑到煤和生物质的固定碳含量几乎达不到固定碳含量≥85wt%，但是以其为原料制作的活性炭的固定碳含量可以达到上述指标，故此选择了上述煤基活性炭或生物质活性炭，可直接从市场上购得，这样就可以利用更多的廉价资源来生产高附加值的碳分子筛。 

该碳分子筛的制备方法主要包括粉碎、成型、一次炭化、活化、碳沉积、二次炭化等过程，更为具体的制备方法如下：