[发明专利]一种基于凹土纳米棒晶复合二维金属有机骨架分离低浓度甲烷的吸附剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于凹土纳米棒晶复合二维金属有机骨架分离低浓度甲烷的吸附剂及其制备方法，该吸附剂由高长径比凹土纳米棒晶与二维柔性有机骨架材料复合制备而成。本发明所制备的基于凹土纳米棒晶复合二维金属有机骨架的新型吸附剂对甲烷与氮气体系里的甲烷气体具有更低的吸附开口压力和更高的吸附容量，尤其适用与低浓度甲烷的吸附应用。同时本发明制备方法简单方便，原料来源广泛，成本低，具有工业应用前景。

技术领域

本发明涉及变压吸附分离甲烷用吸附剂，具体涉及一种基于凹土纳米棒晶复合二维金属有机骨架分离低浓度甲烷的吸附剂及其制备方法。

背景技术

煤层气俗称煤矿瓦斯，主要以甲烷(CH₄)为主，还有少量的乙烷(C₂H₆)和丙烷(C₃H₈)等轻烃与空气的混合物，是宝贵的能源资源。我国高瓦斯矿井多，煤矿瓦斯一直是煤矿安全生产的重大隐患。近年来，煤矿重特大瓦斯爆炸事故时有发生，给人民群众生命财产造成了重大损失。甲烷爆炸浓度区间为4.5％–15％，预防瓦斯突出直接有效的方法是在采煤之前先抽出瓦斯。瓦斯的主要成分CH₄具有破坏地球臭氧层的作用，对气候的温室效应是CO₂的20多倍，煤矿瓦斯气直接排放将造成严重的环境污染和资源浪费。为进一步加大煤层气抽采利用力度，强化煤矿瓦斯治理，减轻煤矿瓦斯灾害。当煤矿瓦斯中的CH₄富集到80％以上，可以作为化工原料或高效燃料，而井下抽放出的煤层气因甲烷的含量低、杂质多，迫切需要解决抽放煤层气的净化分离问题。

传统的净化分离方法都有一些缺陷，低温精馏方法只适用于甲烷浓度较高的混合气，当甲烷浓度较低时，低温精馏存在能耗大，成本高的缺点。国家对甲烷放空浓度的排放标准为0.5％–1.5％，这样低浓度的甲烷用低温精馏的方法处理能耗太高，不具有经济价值。

经过预净化处理除去H₂O、CO₂等杂质的抽采瓦斯，可看成是CH₄和空气的混合气体，混合气体中的O₂动力学半径小、分子扩散速率快，较容易去除，所以可以将混合气体以CH₄/N₂来表示；N₂与CH₄的临界温度都很低，二者物理性质相近，因此煤矿瓦斯气体分离的核心技术在于CH₄与N₂之间的分离。甲烷分子直径为0.382nm，氮气为0.368nm，两者的动力学差异也不显著，因此靠动力学差异分离效果并不理想。

文献报道XPS膜(多孔聚苯乙烯)对CH₄/N₂体系的分离因子仅为1.39。而变压吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)技术是最为有效的气体分离提纯方法，自20世纪80年代以来，已广泛用于石油、天然气、化工等工业气体分离过程。国外进行分离浓缩CH₄的研究主要针对天然气或是油田气，这些气体中CH₄为主要成分。由于煤矿抽采出的瓦斯中CH₄浓度远低于天然气或油气田中甲烷的浓度，如煤矿通风井排出的甲烷体积含量一般低于1％，因而分离难度更大。国内外对CH₄/N₂体系中低浓度CH₄的PSA回收研究一直都非常薄弱。