[发明专利]一种分离甲烷和氮气的方法

说明书

本发明公开了一种分离甲烷和氮气的方法，包括如下步骤：以金属有机框架材料为吸附剂，采用吸附分离法从含甲烷和氮气的混合气中分离甲烷和氮气或提纯甲烷；所述金属有机框架材料的结构通式为[M(C₆O₄)]·nH₂O或[M₂(C₆O₄)₃]·nH₂O，式中M为金属离子，n为水分子数量，数值为2～8。金属有机框架材料由过渡金属离子或碱土金属离子与有机配体(2，5‑二羟基‑1，4‑苯醌)通过配位键或者分子间作用力形成的三维网络结构，其中水分子与金属配位且与有机配体上的氧原子存在较强的氢键作用。本发明所用的金属有机框架材料制备所用的有机配体和金属盐均廉价易得，合成条件温和，纯化步骤简单，易于操作和放大。

技术领域

本发明涉及吸附材料以及能源的技术领域，尤其涉及一种甲烷和氮气的分离方法。

背景技术

甲烷作为天然气的主要成分，正成为一种清洁和廉价的能源资源。与传统的煤和石油等化学燃料相比，在相同单位能量的基础上甲烷释放的二氧化碳量相对较小，也在一定程度上减轻了化石燃料燃烧造成的温室效应。目前，甲烷被广泛应用于工业、商业和居民生活中，据统计其在世界上所占的能源比例为22％。甲烷一般可通过很多非传统资源获得，例如煤层气、填埋气、生物发酵等非常规资源。但从非常规资源获得的甲烷气体往往成分复杂，经常夹带着不同的气体，如二氧化碳、氮气非可燃性气体及硫化氢气体等，这类气体不仅会降低甲烷的燃烧热值同时易腐蚀运输天然气的管道和设备。同时，以此方式获得的甲烷气体浓度过低，不适宜充分利用，如果排放到大气中更易造成温室效应。因此，将低浓度的甲烷浓缩是一种有效缓解天然气供求关系的有效办法。开采的低浓度的天然气中主要的杂质为惰性气体氮气，但因为甲烷和氮气非常相似物化性质以及相近的分子动力学尺寸(甲烷，氮气，)，导致甲烷和氮气的分离异常困难。

现阶段，工业上能有效分离甲烷和氮气的方法相对较少，主要有深冷法、吸附法等。深冷法是利用混合气中各组分挥发性的不同，在低温条件下将混合气的各组分冷凝下来，然后用精馏手段将各组分逐一分离。深冷分离工艺在投入工业化后，甲烷和氮气的分离看到了希望。但是采用低温精馏仅对于混合气中甲烷含量相对较高比较实用，并且因为精馏过程中巨大的能耗和对中小规模设备的不友好限制了它的普及和运用。因此，目前仍亟需一种更加经济节能的分离手段来纯化分离甲烷和氮气。相比，吸附分离法具有操作简便、能耗小、成本低等特点，但甲烷和氮气的吸附分离最关键的是选择具有可观吸附量和较高吸附选择性的吸附剂。常用的吸附剂包括活性炭、粘土、分子筛、硅胶等。但是由于此类材料的内部孔结构不均一导致吸附的容量和选择性并不能达到工业应用水平。