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.     

煤层气在活性炭和炭分子筛上变压吸附分离

变压吸附分离是有效的气体分离提纯方法,采用合适的吸附剂可对煤层气(CH4/N2混合气体)进行高效分离,节约能耗。在单床吸附装置上测量了CH4/N2混合气体在3种活性炭和4种炭分子筛吸附柱上的穿透曲线,并进行实验研究再生条件对吸附剂分离性能的影响。实验结果表明,7种吸附剂均对CH4/N2混合气具有一定程度的分离能力,且高温真空再生后吸附效果更好;但仍需开发出更有效的吸附剂。     

无烟煤所制活性炭对CH4/N2的分离特性

以无烟煤为原料,采用预氧化-炭化-水蒸气活化法制备颗粒活性炭,用其变压吸附分离CH4/N2,以重量法测定了298 K下N2和CH4单组分及双组分气体在活性炭上的等温吸附曲线,并对活性炭的结构和表面性质进行了表征. 结果表明,以所制活性炭为吸附剂,采用单柱单循环变压吸附过程可将CH4/N2中CH4浓度最高提升30.7%(j). 所制活性炭孔结构以微孔为主且表面具有较多含氧官能团,对CH4/N2的分离效果较好,吸附选择性系数达3.4.     

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。     

活性炭孔径分布对CH4/N2体系分离的影响

采用变压吸附分离的方法分离CH4/N2体系时,活性炭作为一种主要的吸附剂受到广泛研究.本文采用10-4-3模型计算得出,孔径为0.7～2.0nm的活性炭微孔对CH4/N2体系分离的效果最好；同时利用扩展Langmuir方程通过拟合4种活性炭对CH4/N2的吸附等温线,计算得出分离系数；最后讨论样品的孔径分布与分离系数的关系,进一步证明了10-4-3模型的计算结果.     

变压吸附浓缩甲烷/氮气中甲烷的研究进展

介绍了变压吸附(PSA)技术浓缩煤层气、油田气以及垃圾填埋气中甲烷(CH4)的国内外研究和应用状况,分析了吸附剂以及PSA工艺对CH4/N2分离效果的影响,着重讨论了活性炭与碳分子筛(CMS)吸附剂在分离CH4/N2混合物中的应用,指出了目前PSA用于浓缩CH4/N2中CH4研究中存在的不足,并展望了其发展趋势.     

N2/CH4在吸附剂上的动态吸附特性

对N2/CH4在11种不同商业吸附剂上的动态吸附行为进行了研究。通过吸附平衡、吸附热力学和吸附动力学分析了它们对N2/CH4的吸附分离特性,得到了N2和CH4在各吸附剂上的吸附平衡、吸附热力学和吸附动力学基础数据。通过Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型对N2和CH4在吸附剂上的吸附平衡数据进行线性拟合时发现,对于微孔性活性炭两种模型都能达到较好的拟合结果,而对非炭质吸附剂或非微孔性炭质吸附剂拟合结果并不理想;采用Gibbs方程计算得到的吸附剂对吸附N2和CH4的ΔG都小于0,说明所选吸附剂对N2和CH4的吸附都是自发的过程,对于炭质吸附剂吸附CH4的ΔG小于吸附N2的ΔG,说明炭质吸附剂对CH4的吸附能力较N2要大,且CH4/N2的分离系数与吸附剂对吸附CH4和N2的ΔG差值之间也存在相关性;CH4/N2在AC1上的吸附行为符合准二级动力学模型,说明CH4在吸附剂AC1上的吸附行为由表面吸附过程控制。     

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。     

Adsorption separation of CO2, CH4 and N2 on β-zeolite with different SiO2/Al2O3 ratios

采用体积法在273 K和303 K温度下对CO2、CH4和N2在不同硅/铝比的β沸石上的吸附分离性能进行了研究。实验结果表明,Langmuir-Freundlich模型能够较好地拟合吸附实验数据;同一样品上,CO2的吸附量要大于CH4和N2的吸附量;随着硅铝比的减小CO2的吸附量增加,而硅/铝比对CH4和N2的吸附量的影响较小。通过结合Virial方程计算CO2、CH4和N2在不同硅/铝比β沸石上的亨利定律常数和吸附选择性,发现所研究样品对CO2/CH4和CO2/N2均具有很高的吸附选择性,随着样品硅/铝比的减小,CO2/CH4和CO2/N2的吸附选择性显著增加,说明较低硅/铝比β沸石有利于分离CO2。用Clausius-Clapeyron方程求得CO2、CH4和N2在不同硅/铝比的β沸石上的吸附热与吸附量无关,表明β沸石是一种表面势场均匀的吸附剂。     

用于吸附分离CH4/CO2的碳分子筛的制备研究

以碳分子筛(CMS)作为吸附剂,探索其对CH4/CO2混合气的分离纯化性能。采用化学气相炭沉积法,以价格便宜的商品椰壳基活性炭为原料,以苯为沉积剂,制备碳分子筛。研究了沉积时间和沉积温度对CMS的吸附性质的影响。采用容量法对CMS吸附CH4和CO2性能进行测定。结果表明,在沉积温度为700℃,沉积时间为40min时制备的CMS平衡吸附选择性系数为58.03,远高于活性炭的5.124,对CH4/CO2有良好的分离效果。     

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%。     

基于沸石ZSM-5的CH_4/N_2/CO_2二元体系吸附平衡

采用Rubotherm磁悬浮天平测量CH4、N2和CO2在沸石ZSM-5上的单组分吸附平衡等温线,温度273~353K,压力0~500 kPa。采用Sips模型、Toth模型和MSL模型对单组分吸附平衡实验数据进行拟合,拟合结果良好,非线性回归得到相应的模型参数。测量双组分CO2/N2、CO2/CH4和CH4/N2在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,实验温度为293 K,实验压力为0~500 kPa。采用基于Sips模型的理想吸附溶液理论和双组分MSL模型预测双组分气体在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,并与实验结果进行比较,预测结果良好。比较CO2/N2、CO2/CH4以及CH4/N2体系在沸石ZSM-5上的竞争吸附选择性系数,探究沸石ZSM-5吸附分离烟道气(CO2/N2体系)、垃圾填埋气(CO2/CH4体系)或煤层气(CH4/N2体系)的可行性,为将来进行工艺设计提供基础数据。     

煤基碳分子筛的制备及CH4/N2分离性能研究

以煤为原料,通过气相碳沉积法制备了CH4/N2变压吸附分离用碳分子筛,研究了苯沉积量对碳分子筛吸附性能的影响。用液氮吸附（77 K）、扫描电镜对碳分子筛孔结构及表面形貌进行了表征,结果表明：制备的碳分子筛（CMS-1）平衡分离系数大于5,比表面积SBET=251.5 m2/g,微孔孔容Vm=0.1178 mL/g,孔径主要分布在0.35~2 nm,能满足CH4/N2变压吸附分离要求。     

炭分子筛的表征

炭分子筛是浓缩煤层气变压吸附机组的关键材料,性能的好坏直接影响变压吸附机组的性能。通过在77 K下N2的吸脱附等温线对炭分子筛的比表面积、孔径分布进行测定,通过吸附试验对炭分子筛吸附N2,O2,CO2,CH4,H2的能力及N2和CH4在炭分子筛上的吸附速度进行比较,以确定不同炭分子筛分离气体的能力。     

金属有机骨架材料在CO_2/CH_4吸附分离中的研究进展

CO2/CH4分离能耗高是生物甲烷过程核心难题之一。金属有机骨架材料(metal organic frameworks,MOFs)由于其优异的CO2吸附分离性能,被视为最具潜力的CO2分离捕集材料,近年来引起了广泛的关注。本文结合沼气的特点和MOFs研究的最新进展,对MOFs材料在CO2/CH4吸附分离过程的相关实验研究工作进行了综述。     

面向生物甲烷分离的不同金属配位金属-有机骨架材料的分子设计

采用巨正则Monte Carlo法(GCMC),对CH4/CO2混合气体体系基于金属-有机骨架材料(MOFs)的吸附分离进行了模拟研究。吸附分离材料涉及3个系列(M-MOF-74、M-MIL-53和[M(atz)(bdc)0.5])(M=Mg,Co,Ni,Zn,Al,Cr)不同金属配位的8种MOF材料。研究表明,Mg-MOF-74的CO2吸附性能在高压下优于其他材料;在低压时,拥有大量氨基官能团的[Zn(atz)(bdc)0.5]和[Co(atz)(bdc)0.5]材料有更高效的CO2分离性能。通过径向分布函数和CO2吸附构型快照重叠图进一步分析发现,各个系列材料不同金属配位对CO2吸附构型的影响造成了材料吸附分离性能有较大的不同。研究结果能够为实验上设计和开发新型高效CO2和CH4吸附分离MOFs材料提供启发。     

金属有机骨架材料在吸附分离CH_4/N_2中的研究进展

简单介绍了金属有机骨架材料的发展,主要从甲烷选择型MOF吸附剂、氮气选择型MOF吸附剂2个方面综述了金属有机骨架材料在CH4/N2分离中的研究进展,并对MOFs吸附剂与传统吸附剂的CH4/N2分离性能进行了比较,同时展望了MOFs吸附剂在低品质煤层气脱N2过程的应用前景。     

分离CO_2/CH_4的吸附剂研究现状

介绍了不同吸附剂对CO2/CH4的吸附分离性能,包括吸附分离因子以及CO2吸附量等。着重阐述了碳分子筛的两种改性方法——氧化改性和氮基基团改性。从材料结构及再生性能上分析,碳分子筛可能更适合成为变压吸附分离CO2/CH4的吸附剂。     

低浓度煤层气提纯的研究现状

煤矿开采过程中排放出大量低浓度煤层气,提纯利用这部分煤层气对我国能源开发利用和环境保护意义重大,其难点是经济高效地分离CH4和N2.本文从CH4/N2分离技术、变压吸附分离CH4/N2吸附剂和制备新型炭分子筛3个方面逐层对低浓度煤层气提纯进行了综述和展望.介绍了CH4/N2分离技术研究进展,对其在低浓度煤层气提纯中的应用前景进行了对比.概述了常用变压吸附剂分离CH4/N2的研究现状,分析了它们在低浓度煤层气提纯应用中的优缺点,并提出了制取适合低浓度煤层气提纯用的新型炭分子筛的方法.     

CO2/CH4在活性炭上吸附与分离的分子模拟

Monte Carlo 模拟(GCMC)研究了CO2和CH4在活性炭中的吸附情况.氢气和二氧化碳分子被模拟作Kennard-Jones球体,活性炭用一个裂缝气孔模型代替.研究了压力、温度、孔径活性炭对CO2(以CH4为基准)的选择性的影响.结果表明,低压、低温、孔径越小,选择性越大,即对分离CO2和CH4有利;233 K、孔径为2.29 nm以及低压下选择性达到10,此时分离效果较好.