氮气分离用碳分子筛的制备
来源：未知
发布日期：2020-03-27 13:53【大 中 小】
利用碳分子筛对甲烷与氮气平 衡吸附量差异，实现气体平衡分离；而动力学分离过程主要利用氮气扩散速率大于甲烷的扩散速率， 实现动力学吸附分离，一些学者研究了碳分子筛在甲烷与氮气动力学吸附扩散过程中的应用； 部分人研究了平衡型碳分子筛的制备与应用，很少报道沉积条件对碳分子筛静态甲烷与氮气吸附 量的影响。通过探讨沉积条件，有利于制备氮气吸附量高与甲烷吸附量低的样品，促进动力学分离过程。
酚醛树脂炭化料基体主要利用酚醛树脂边角料炭化制备，甲烷气（纯度 99.9%）与钟会SPN-300氮气发生器 （99.999%）。国内碳分子筛样品从国内某公司购买，日本 3K 样 品为日本商业化碳分子筛样品。 比表面与孔径分析仪为北京贝士德科技有限公司生产 3H-2000PM1 分析仪。
称量酚醛树脂基炭化料，将其放入管式炉后，先通入高纯氮气 10min，去净管式炉中的空气，再 按照 20℃/min 的升温速率，将管式炉升温到沉积温度 700～900℃，采用 CH4作为调孔剂，通入不同 气体流量的高纯 CH4 与 N2，调整混合气体组分，沉积一定时间。样品编号 850/30-100/200 含义如 下：850/30 代表沉积温度 850℃、沉积时间 30min;100/200 代表甲烷流量 100ml/min、氮气流量 200ml/min。
当沉积温度为 850℃时，甲烷流量为 100～150ml/min 时，沉积时间为 30min 时，氮 气吸附量下降到 6.5～6.7ml/g，甲烷吸附量下降到 14.3～16.0ml/g，在此条件下制备样品性能较好， 此时氮气吸附量下降相对较慢，甲烷下降较快，这主要是由于在沉积过程中，甲烷沉积在微孔孔口， 氮气分子吸附阻力较小，甲烷分子吸附时阻力较大，造成甲烷吸附量下降更快。当沉积时间增加到 35～40min 时，甲烷与氮气吸附量都出现剧烈下降，这主要是因为微孔孔口过度沉积，造成微孔堵 塞；当甲烷流量为 50ml/min、沉积时间为 40min 时，发现通过降低甲烷流量，可以阻止甲烷与氮气吸 附量剧烈下降，由下图 2 可知，这是由于微孔增大造成的。
在沉积温度为 800℃，当甲烷流量为 150ml/min、沉积时间为 25min 时，制 备分子筛样品（800/25-150/300）0.3～0.67nm 之间孔容为 0.092cm3 /g，平均孔径为 0.523nm；在沉积 温度为 850℃，当甲烷流量为 100ml/min、沉积时间为 30min 时，制备分子筛样品（850/30-100/200） 0.3～0.67nm 之间孔容为 0.083cm3 /g，平均孔径为 0.516nm；此两种分子筛样品性能接近同类产品。当 沉积温度在 850℃时，甲烷流量为 50ml/min、氮气流量为 200ml/min 时，微孔孔径较大，在 0.5nm 以 下孔分布较少。这主要是由于在 850℃下，沉积浓度低，甲烷沉积量较少；同时在高温作用下，随着 热处理时间延长，会造成基体微孔孔径增大，所以低浓度甲烷沉积发生孔径增大，不利于样品沉积。
（1）结果表明利用甲烷沉积时，沉积温度低于 800℃时，沉积较慢，甲烷降低不明显，沉积时间 过长；沉积温度高于 850℃时，甲烷与中惠普发生器氮气剧烈下降，减少了分离时样品氮气吸附容量。
（2）探讨的最佳沉积温度为 850℃、沉积时间为 30min。在甲烷流量为 100ml/min 和氮气流量为 200ml/min 时，沉积后碳分子筛在孔径 0.3～0.67nm 之间的孔容为 0.083cm3 /g、平均孔径为 0.516nm、 甲烷吸附量为 14.3ml/g、氮气吸附量为 6.5ml/g，吸附甲烷性能低于同类样品，有利于动力学分离。
（3）利用酚醛树脂基碳分子筛原料来源广泛、成本较低，在煤层气分离中有较高的市场应用前 景。同时，通过改变酚醛树脂基体含碳量与微孔分布范围，在沉积过程中改变调节碳分子筛孔径，可 进一步提高氮气吸附量、降低甲烷吸附量。
