[发明专利]一种分离甲烷和氮气用炭硅复合材料吸附剂及其制备方法

说明书

本发明公开了属于气体分离用吸附剂技术领域的一种分离甲烷和氮气用炭硅复合材料吸附剂及其制备方法。所述方法将分子筛粉体浸渍在硝酸镧溶液中，烘干后的粉体，交替在惰性气体和乙烯气氛下高温活化制备得到的炭硅复合材料吸附剂；所述活化过程为：先在氮气条件下升温至600℃，然后在600℃恒温下持续通入乙烯气体；最后切换至氮气升温至850℃，并在850℃下恒温下通入氮气，进行活化处理。本发明通过乙烯气体活化离子交换后的分子筛，所制备的炭硅复合材料吸附剂孔隙结构发达、且同时含有大量的微孔和发达的中孔结构，能实现高效吸附分离CH₄和N₂。

技术领域

本发明属于气体分离用吸附剂技术领域，尤其涉及一种分离甲烷和氮气用炭硅复合材料吸附剂及其制备方法。

背景技术

近年来，随着全球能源消费规模的扩大，非常规天然气如低浓煤基气、致密气、页岩气和低饱和度天然气等的开发利用引起了世界的普遍关注，作为天然气资源的有效补充，这些非常规天然气在中国的能源结构中扮演着日益重要的角色。在开采这些非常规天燃气的过程中，会有大量的氮气、二氧化碳和水蒸气的杂质气体混入其中，而氮气、二氧化碳的存在显著降低燃料的热值。因此，使浓度甲烷得到富集显得格外重要。

如今，变压吸附(PSA)工艺以其投资少、性能好、操作灵活方便等优势，成为最受关注的CH₄/N₂分离技术。但是，CH₄/N₂不仅动力学直径相近，并且在超临界条件下的性质也相似，成为最难的分离的体系。因此开发出高分离系数的CH₄/N₂吸附剂，是提高变压吸附技术提纯低浓度煤层气经济效益的关键。

CN 103086354A公布了一种煤层气浓缩提纯CH₄用炭分子筛及其制备方法，是将酚醛树脂、粘结剂和水混合后进行炭化，使用有机调孔剂对炭化料进行调孔制得炭分子筛。该工艺虽然对CH₄的提纯有起到一定作用，但是流程复杂，操作性差，并且使用有机调孔剂容易对环境造成污染。

CN 101935032A介绍了一种炭分子筛及其制备方法，利用常规炭分子筛，采用苯沉积剂在700～900℃进行沉积调孔，再利用活化剂KOH或者CO₂对其二次扩孔增加氮气吸附量，制备出甲烷与氮气分离的炭分子筛。活化工艺较为复杂，强活化剂会腐蚀设备，并且没有指出合适的孔吸附孔径以及样品的氮气与甲烷吸附量。

因此，亟待提供一种针对现有炭质吸附剂制备工艺复杂、甲烷吸附量低、分离选择性差等不足，提供一种分离甲烷和氮气的炭硅复合材料吸附剂及其制备方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种分离甲烷和氮气用炭硅复合材料吸附剂的制备方法，所述方法为：将分子筛粉体浸渍在硝酸镧溶液中，烘干后的粉体，交替在惰性气体和乙烯气氛下高温活化制备得到的炭硅复合材料吸附剂；

所述活化过程为：先在氮气条件下升温至600℃，然后在600℃恒温下持续通入乙烯气体；最后切换至氮气升温至850℃，并在850℃下恒温下通入氮气，进行活化处理。

所述活化过程升温速率为5～10℃/min；气体的流量控制在100～150mL/min。

进一步地，所述活化过程中，通入乙烯的流量为100mL/min，持续通入乙烯气体时间为2～3h；在850℃活化时，氮气流量为100mL/min，持续通入氮气时间为2～3h；

更进一步地，所述活化过程为：以10℃/min升温至600℃，在600℃恒温下，通入乙烯气体活化2～3h；然后以10℃/min继续升温至850℃，在850℃恒温下，通入氮气继续活化2～3h。

所述分子筛使用的是NaY型分子筛；原料分子筛粉体粉碎成150～200目的细粉，以达到与离子交换液充分混合的的目的。