[发明专利]微孔碳材料分离伴生和非伴生天然气流中的氮

说明书

本发明涉及一种制造微孔碳材料的两阶段方法，该微孔碳材料以高效率从气体混合物(诸如硫化氢，二氧化碳，甲烷和C₂、C₃和C₄⁺烃)中选择性分离氮，并且该微孔碳材料是得自密度为1.3‑1.85g/cm³的聚(偏二氯乙烯‑共‑丙烯酸甲酯)共聚物或密度为1.3‑1.85g/cm³的聚(偏二氯乙烯‑共‑氯乙烯)共聚物的微球或圆柱体形状，其中第一阶段包括在高碱性醇溶液中通过化学侵蚀对材料进行表面钝化，目的是在共聚物表面上进行预碳化，这样在热解过程中它不会变形并逐渐形成微孔；并且第二阶段包括经化学钝化的共聚物的逐渐热解，目的是形成微孔和高表面积值，所述方法在熔化和气体脱卤化氢阶段期间，避免了材料的变形。

技术领域

本发明涉及一种制备微孔碳材料的方法，该微孔碳材料以高效率从气体混合物(诸如硫化氢，二氧化碳，甲烷，和C₂、C₃和C₄⁺烃)中选择性分离氮，该微孔碳材料为由密度为1.3-1.85g/cm³的聚(偏二氯乙烯-共-丙烯酸甲酯)或密度为1.3-1.85g/cm³的聚(偏二氯乙烯-共-氯乙烯)的共聚物形成的微球形状，该方法分为两个阶段。第一阶段是在高碱性醇溶液中通过化学侵蚀对材料进行表面钝化，目的是在共聚物表面上进行预碳化，这样在热解过程中它不会变形并逐渐形成微孔。第一阶段的材料在层中呈现出55-85％的碳、5-20％的氧和10-40％的氯，而在材料的内部呈现出30-65％的较少的碳、2-6％的氧和30-60％的氯。第二阶段是经化学钝化的共聚物的逐渐热解，目的是形成微孔和高表面积值；以及在钝化共聚物的熔化和脱卤化氢期间，它们防止了材料的变形。根据扫描电子显微镜(SEM)的表征，共聚物的形态是125-225微米的微球或高4毫米且直径为3毫米的圆柱体，热解后其尺寸相对于初始尺寸减小了35％。第二阶段的材料已经是微孔碳材料，其在层中具有90-100％的碳和10-0％的氧。

这种微孔碳材料具有高度可行的质量，可以在与诸如硫化氢，二氧化碳，甲烷和C₂、C₃和C₄⁺烃的气体的混合物中进行氮的色谱分离，从而可以作为开发这些组分通过吸附-解吸过程的分离技术的基础。

背景技术

具有微孔特性的活性炭对于在烃类、氧、氮的气相中的选择性分离，硫化氢和二氧化碳、苯的去除，以及在气体净化系统中非常有用。这些材料中的一种是碳分子筛(CMS)，其具有诸如0.3-1.5nm的孔分布和对小直径分子的高选择性吸附的特性。

根据所建立的，期望具有选择性分离性质并且大量再生和再利用的材料，微孔碳是理想的候选物。这种材料的性质也与颗粒尺寸和形状的均匀分布有关。制备具有这些性质的材料的方法分为：a)有机和聚合物材料的热解和b)化学活化方法。

根据现有技术，在名为“Adsorption on Saran charcoal.A new type ofmolecular sieve”(Trans.Faraday Soc.,Vol.50,p.740-8(1954))的工作中，Dacey和Thomas描述了从聚偏二氯乙烯片的真空热解制备硬质和高度多孔的碳，首先在180℃保持数小时，然后在700℃。测定了水、氦、正戊烷和氮的吸附等温线，并研究了各种烃的吸附速率。大而庞杂的分子吸附非常缓慢，而线性和扁平分子迅速吸附。