[发明专利]一种沸石分子筛的制备方法及其应用

说明书

本发明属于分离材料技术领域，具体涉及一种沸石分子筛的制备方法。更具体地说，是一种对CH₄和CO₂具有“分子门”效应的气体分离材料，该分离材料可广泛应用于天然气中CO₂的分离和回收。所述制备方法为进行硅铝比调节，所采用的原料摩尔比为SiO₂/Al₂O₃=4.0‑4.26得到ZK‑5分子筛；将分子筛加入到钾盐溶液，加热搅拌进行离子交换，并且在加热过程中持续加入蒸馏水以保持溶液的总量不变；离子交换之后，用去离子水继续洗涤过滤，干燥得到K‑ZK‑5沸石分子筛。由于硅铝比的改变和K⁺的引入使得该分子筛表现出了“分子门”效应，即只吸附动力学直径较小的CO₂，对CH₄和N₂等较大的气体分子吸附量极低。

技术领域

本发明属于分离材料技术领域，具体涉及一种沸石分子筛的制备方法。更具体地说，是一种对CH₄和CO₂具有“分子门”效应的气体分离材料，该分离材料可广泛应用于天然气中CO₂的分离和回收。

背景技术

天然气是一种以CH₄气体为主的优质、高效、清洁的低碳能源，可分为常规天然气和非常规天然气。目前，常规天然气已经广泛应用于生产、生活的各个领域，且其需求量日益增加。此外亚质量天然气储量（包括酸性天然气储量）分布相当广泛，储量丰富。亚质量天然气储量被定义为含有大于2％的CO₂、4％的N₂和4 ppm的硫化氢（H₂S）的气田。据估计一半以上的天然气资源含有大于2％的CO₂，这就对亚质量、非常规和偏远天然气储量的开发（包括通过LNG生产的开发）的气体处理提出新的挑战。CO₂、H₂S以及其它酸性气体必须从天然气中除去，因为在水的存在下，这些杂质可以形成腐蚀管道和其它设备的酸。虽然本发明并不关注H₂S的去除，但是从天然气中脱除这些有毒的酸性气体也是十分必要的。

天然气脱除CO₂的工艺，主要包括以下几种方法：

1.溶液吸收技术：利用CO₂与吸收剂在吸收塔内进行相互反应，使CO₂被吸收到化学溶剂中，之后在解析塔中加热分解出，从而进行分离及回收。常规胺处理方法的工艺缺点包括：（1）胺再生所需的大量能量；（2）胺的相对较低的CO₂负载能力需要高溶剂循环速率和大直径的高压吸收塔；（3）腐蚀性胺溶液容易引起高的设备腐蚀速率；（4）胺容易降解形成有机酸。

2.低温分离技术：低温分离技术是利用天然气原料气中各气体组分沸点的不同，通过低温制冷将气体中各组分按照工艺要求冷凝下来，然后采用蒸馏法将逐一加以分开。尽管CO₂的低温分离作为高选择性处理CO₂的天然气具有很好的潜力，但该脱碳工艺也有一些缺点，如工艺设备成本高，能耗高。

3.CO₂选择性膜技术：CO₂选择性膜技术在大规模分离CO₂方面的应用在天然气工业和燃烧烟气中捕获CO₂方面正在增加。在天然气工业中使用的商业膜技术主要是通过溶液-扩散机制分离组分的无孔聚合物膜。 通过溶液扩散机制将气体分子传输，通过膜首先通过将气体分子吸收到膜中，然后通过膜材料的扩散或渗透而发生。因此，通过天然气进料的组分的溶解度和迁移行为的差异来实现气体组分的分离。但是膜分离法也存在其不可避免的缺点，如CH₄损失较多，难得到高纯度CH₄，而且膜的成本比较昂贵且易受污染。