[发明专利]一种PVDC树脂衍生微孔碳材料在吸附分离甲烷和氮气上的应用

说明书

本发明公开了一种PVDC树脂衍生微孔碳材料在吸附分离甲烷和氮气上的应用。所述PVDC树脂衍生微孔碳材料以PVDC树脂材料为原料，在惰性气体氛围中，以1‑10℃/min的升温速率上升至500‑1200℃进行高温活化后得到。所述PVDC树脂衍生微孔碳材料的比表面积为1100～2000m²/g、微孔率为100％和孔径为0.5‑1.7nm。本发明提供的PVDC树脂衍生微孔碳材料在吸附分离甲烷和氮气上的应用具有吸附容量高和吸附分离选择性高的特点。

技术领域

本发明属于吸附分离材料技术领域，具体涉及一种PVDC树脂衍生微孔碳材料在吸附分离甲烷和氮气上的应用。

背景技术

甲烷是一种高热值的碳能源，预计在未来30年里其年消耗量将增长50％，同时甲烷也是一种温室效应气体，其全球变暖潜力值(GWP)是二氧化碳的20倍。甲烷在自然界中储存丰富，但利用程度较低，尤其是在非传统天然气(煤层气、层岩气、填埋气)中，甲烷浓度较低，直接利用难以满足工业要求，直接排放不仅会造成能源的浪费，还会加速全球变暖，导致环境污染。因此亟需开发出高效的甲烷提浓技术实现低浓度甲烷的回收与分离。在此过程中，CO₂与N₂是主要的杂质，其中CO₂易于脱除，而N₂与CH₄由于具有相似的物理性质、接近的动力学直径而不易分离，因此CH₄/N₂的分离是技术的关键所在。

目前，CH₄/N₂的分离手段主要包括：低温精馏、水合物技术、溶剂吸收、膜分离和变压吸附分离等。低温精馏根据各组分沸点的差异，再通过精馏工艺将各组分在不同温度逐一分离。美国专利(US4592767)早在20世纪80年代就报道了较为成熟的CH₄/N₂低温精馏工艺。该工艺分离收率高、产品纯度高，但是由于操作温度低，对设备要求高，能耗巨大，一般适用于大规模分离工艺。水合物技术主要是利用不同组分与水形成水合物的条件不同从而实现选择性分离。吴强等(煤炭学报，2009，34(3)：361-365)首次采用水合物技术进行了CH₄/N₂分离的研究。目前水合物技术分离CH₄/N₂的研究尚处于初始阶段，各项技术还不成熟，反应条件的控制也是难点之一。溶剂吸收技术指的是利用各组分在溶剂中的溶解度差，或者溶剂只对其中一种气体具有溶解性来实现分离。美国专利(US 4883514)报道了一种碳氢溶剂物理吸收CH₄的工艺，具有一定的脱除N₂的潜力，但由于溶液对气体的溶解度不高，溶液的解吸再生困难，仍不能满足生产需求。膜分离的基本原理是根据各组分在压力的推动下透过膜的速率不同，或者通过膜对不同气体分子的渗透率和选择性的差异来达到分离的目的。美国专利(US 6572678B1)报道了通过变换使用CH₄、N₂选择性膜实现了CH₄/N₂的分离。膜分离虽然具有低能耗、高效率、工艺简单等优点，但是膜的制作复杂、成本高，制约了其工业应用。变压吸附分离具有操作灵活、能耗小、成本低等特点，并且对甲烷氮气具有良好的分离效果，成为近年来备受关注的技术之一。