[发明专利]一种分离甲烷和氮气的整体式复合多孔炭吸附材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种分离甲烷和氮气的整体式复合多孔炭吸附材料及其制备方法，所述整体式复合多孔炭吸附材料为大孔‑介孔‑微孔串联型复合多孔炭，微孔孔径范围为0.50‑1.20nm，表面具有极性位点并可调控。本发明吸附材料在常温、常压下，对甲烷动态吸附量高达0.79mmol·g^‑1，甲烷/氮气的分离选择性达16，具有良好的工业应用前景。具有多级孔道结构，大孔和介孔有利于甲烷的扩散，微孔有利于增加对甲烷的吸附量。吸附材料表面化学性质及孔结构调控的方法简便且易于控制，为难分离混合气的吸附剂设计提供借鉴。因此，本发明吸附材料在甲烷氮气分离领域有很好的应用效果，对煤层气等非常规天然气的提浓净化提供技术支持。

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种分离甲烷和氮气的整体式复合多孔炭吸附材料及其制备方法。

背景技术

甲烷作为一种优质的气体燃料和碳一化工产品的原料，在自然界中具有丰富的储量、高的热值，且具有最高的H/C比，在能源体系中占有重要地位，是比煤和石油更加清洁的能源，广泛存在于沼气、页岩气、填埋气、煤层气之中，储量丰富但浓度较低，无法直接利用。低浓度甲烷气的主要组成是CH₄、CO₂和N₂，其中CH₄/N₂因两者动力学直径相近(0.380nm和0.364nm)且在超临界条件下有极其相似的物理性质而成为分离领域中具有挑战的难题。目前，对于CH₄/N₂分离的技术主要有深冷分离法、化学吸收法、膜分离法及物理吸附法，其中物理吸附法以工艺简单、能耗低、无腐蚀、操作灵活等优点，成为气体分离技术领域的优选。开发利用低浓度甲烷气的关键是高效吸附剂的设计与制备。常见的吸附剂主要有沸石分子筛、金属有机框架化合物、硅胶、多孔炭材料等，多孔炭材料凭借发达的孔隙结构、可调的表面化学性质、良好的耐水汽及稳定性等优点备受关注。

目前，报道的用于分离CH₄/N₂炭质吸附剂制备工艺复杂或分离选择性差。中国专利CN101935032B公开了一种可用于煤层气中甲烷提纯的碳分子筛的制备方法，该方法以无烟煤、椰壳或酚醛树脂为原料，经成型、炭化、活化、气相沉积制备常规碳分子筛，进而经KOH或CO₂二次活化得到目标产品炭分子筛，过程较为繁琐；中国专利CN108057419A公开了一种甲烷氮气分离用炭吸附剂的制备方法，该方法以玉米芯为炭源，磷酸为活化剂，通过改变磷酸的浓度制备炭质吸附剂，制备工艺简单，机械强度低，其对CH₄和N₂单一组分的静态吸附量分别为0.53mmol·g^-1和0.13mmol·g^-1，CH₄/N₂的分离系数达到4.0；Yuan等以酚醛树脂为炭源，F127为结构导向剂，通过软模板法制备有序介孔炭用于甲烷氮气的分离，其分离系数为3.7(Environ.Sci.Technol.2013,47,10,5474-5480)。所以具有高选择性、高吸附量炭质吸附剂的高效制备一直是研究的重点和难点。

发明内容

本发明的目的在于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整体式复合多孔炭吸附材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种分离甲烷和氮气的整体式复合多孔炭吸附材料，所述整体式复合多孔炭吸附材料为大孔-介孔-微孔串联型复合多孔炭，微孔孔径范围为0.50-1.20nm，表面具有极性位点。

所述整体式复合多孔炭吸附材料表面的极性位点的量可以调控。

随着极性位点的量的增加，所述整体式复合炭吸附材料对CH₄的吸附量先增大，后减小。

本发明的吸附原理如下：