煤基炭分子篩的制備及其變壓吸附分離CH4-N2研究.pdf

1、低濃度煤層氣的開發(fā)利用對于保障煤礦安全生產(chǎn)、改善我國能源結(jié)構(gòu)、減少能源浪費(fèi)和環(huán)境污染、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和低碳經(jīng)濟(jì)具有重要意義。由于低濃度煤層氣中 CH4和N2物化性質(zhì)極為接近，目前難以找到有效的吸附劑利用變壓吸附技術(shù)分離 CH4/N2，這成為制約變壓吸附技術(shù)提濃低濃度煤層氣的發(fā)展瓶頸。
　　本文以無煙煤為炭質(zhì)前驅(qū)體，采用炭化-活化-苯類氣相碳沉積工藝制備炭分子篩（T-CMS），通過單因素實驗得出活化工藝的最佳條件：堿炭質(zhì)量比為3:1，

2、活化溫度為800℃、活化時間為90min；通過正交實驗得出碳沉積工藝的最優(yōu)條件：碳沉積溫度為600℃，碳沉積時間為10min，流率為1.2mL/min；制備的無煙煤基炭分子篩比表面積達(dá)1847m2/g，微孔比例占60.70％，平均孔徑為0.7041nm。采用靜態(tài)體積法，測試了 CH4、N2在 T-CMS、陜北煤絲炭基炭分子篩（S-CMS）和13X沸石上的吸附量。在同一壓力下，N2的吸附量均小于 CH4，隨著吸附壓力的增大，CH4和N2吸

3、附量差異增大； Langmuir吸附模型擬合參數(shù)表明甲烷為強(qiáng)吸附組分，飽和吸附量qm的大小順序為S-CMS>T-CMS>13X沸石；CH4/N2在各吸附劑上的分離系數(shù)大小順序為T-CMS>S-CMS>13X沸石，其中T-CMS的分離因子為3.097。利用自制變溫變壓耦合吸附裝置，測試了 T-CMS、S-CMS、13X沸石的CH4穿透曲線，T-CMS的穿透點為（279s,1.25%），S-CMS的穿透點為（228s,1.25%），13X沸

4、石的穿透點為（165s,1.25%），T-CMS的分離效果最佳。
　　對T-CMS進(jìn)行了親烴改性和低溫等離子體改性，親烴試劑包括C24、SDB和PEI，低溫等離子改性氣氛分別為 CH4和 N2。對改性炭分子篩 T-CMS-C24、T-CMS-SDB、T-CMS-PEI、T-CMS-P-CH4、T-CMS-P-N2進(jìn)行了CH4、N2吸附量測試及 Langmiur吸附模型擬合，并計算了分離系數(shù)， T-CMS-P-CH4、T-CMS-P

5、-N2的分離效果均優(yōu)于T-CMS，低溫等離子改性有利于提高炭分子篩分離CH4/N2的能力。采用靜態(tài)體積法，測試了不同溫度下CH4、N2在T-CMS上的吸附量，采用9種不同的吸附模型進(jìn)行了吸附等溫線的非線性擬合，各模型的擬合精度大小順序為 D-A>F-L>E-L>Sips>Toth>Langmiur>D-R>Freundilch； Langmuir、Toth、E-L模型中飽和吸附量 qm均隨溫度的升高而減小，且溫度變化對于 N2的飽和吸附

6、量影響較大；E-L模型、Toth模型和Sips模型中反應(yīng)表面不均一的參數(shù)n隨著溫度的升高而增大，F(xiàn)-L模型中分形維數(shù)的D的變化表明溫度升高增加了炭分篩表面的不均一性。對T-CMS吸附CH4、N2進(jìn)行了熱力學(xué)分析，兩種氣體的等量吸附熱均隨吸附量的增大呈遞減趨勢，且在吸附量較小時變化較為明顯，表明炭分子篩表面能量的不均一性；CH4的平均等量吸附熱為11.80KJ/mol，N2的平均等量吸附熱9.06KJ/mol，均屬于物理吸附；隨著吸附量的