[发明专利]一种咖啡渣基成型多孔炭吸附剂在高效甲烷/氮气分离中的应用

说明书

本发明提供一种咖啡渣基成型多孔炭吸附剂在高效甲烷/氮气分离中的应用，所述咖啡渣基成型多孔炭吸附剂以咖啡渣为原料，与助挤剂和无机硅酸盐混合，经挤条成型、炭化活化、碱洗水洗制得。本发明原料廉价易得，制备工艺简单，咖啡渣基成型多孔炭吸附剂机械强度高于120Ncm^‑1，耐磨强度大于99％，可以减少在运输使用过程中的损失，适用于工业化应用；适当无机硅酸盐的添加，可以得到含有丰富的介孔结构和适量的表面含氧官能团的吸附剂，有利于甲烷的选择性吸附，298K、1.1bar的条件下，对甲烷的动态吸附量达到0.25mmolg^‑1，甲烷/氮气的分离选择性达到10.6(3/7,v/v)，高于现有文献中的大多数报道，在煤层气、沼气等含甲烷气体的分离提纯具有良好的工业前景。

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种咖啡渣基成型多孔炭吸附剂在高效甲烷/氮气分离中的应用。

背景技术

煤层气是重要的非常规天然气能源，主要有效成分为甲烷(CH₄)，而原料气中的杂质(CO₂、N₂)会显著降低气体的热值，应予以去除。目前，常用的气体分离提纯技术有深冷技术、膜分离、变压吸附等，其中变压吸附技术能耗低气体纯度高，是一种具有潜力的气体分离提纯技术，构建高效吸附剂是变压吸附技术的关键。常见的多孔吸附剂主要有金属有机框架(MOFs)、沸石分子筛、多孔炭等。多孔炭因其高比表面积、大孔容、孔隙结构发达、疏水性好、机械性能好、化学稳定性及热稳定性高被广泛应用于吸附分离操作中，其中生物质炭价格低廉，原料丰富，分布广泛，考虑到低成本和可持续性的工业应用要求，生物质是多孔炭最有前景的前体。咖啡是世界三大饮品之一，年消费约1000万吨，每年产生约650万吨咖啡渣废弃物，是非常丰富廉价的原料。

工业上良好的吸附选择性可以降低分离能耗，而目前报道的用于CH₄/N₂的多孔炭，选择性都不理想。中国专利CN106345410A公开了一种多孔炭吸附剂，以沥青和淀粉为碳源，经炭化再于780～830℃进行CO₂活化处理得到多孔炭，其分离比仅为3.8；Li等将颗粒状的大米直接炭化，经CO₂活化后所得颗粒PRC的比表面积为776m² g^-1，在298K和1.1bar下，其CH₄/N₂吸附选择性为5.7(Chem.Eng.J.2020,384:123388.)；Wang等人以颗粒状油茶壳为碳源，通过炭化和KOH活化制备整体式超微孔碳颗粒，在1.0bar和298K条件下，对CH₄/N₂的选择性为5.8(AIChE Journal.2021,67(9).)，选择性都较低。而且，使用生物质直接成型虽省去了成型步骤，但制得的样品不规则，在运输装填使用等步骤存在易粉化的问题；生物质炭活化过程中生成的微孔，在提高甲烷吸附量的同时，氮气的吸附量也随之提高，因此选择性不高，因此如何制备高选择性的整体式炭一直是研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有炭质吸附剂，甲烷/氮气分离选择性低、强度低、易粉化，提供一种咖啡渣基成型多孔炭吸附剂在高效甲烷/氮气分离中的应用。

本发明的技术方案如下：

一种咖啡渣基成型多孔炭吸附剂在高效甲烷/氮气分离中的应用，采用吸附分离法从甲烷和氮气的混合气中分离甲烷和氮气或提纯甲烷；所述咖啡渣基成型多孔炭吸附剂的制备方法包括如下步骤：

(1)将咖啡渣与助挤剂混合，记为样品A；

(2)将无机硅酸盐溶液和样品A混合均匀，记为样品B，无机硅酸盐溶液和咖啡渣的质量比为1.4:1-1.6:1；

(3)将样品B在挤条机中挤出成型，断条，置于室温干燥，得到样品C；

(4)将样品C放入炭化炉中，于惰性气体保护下进行炭化、活化，得到多孔炭材料；