基于天然氣脫碳小孔分子篩K-Cs-ZK-5的制備及其性能研究.pdf

1、天然氣是一種以CH4氣體為主的優(yōu)質(zhì)、清潔的低碳能源，而CO2的存在不僅會(huì)使CH4在管道傳輸過程中腐蝕管道，而且降低了燃燒的熱值，因此脫除CO2將有利于能源氣體的運(yùn)送和利用。吸附分離技術(shù)被認(rèn)為是氣體分離領(lǐng)域中能耗低和操作簡(jiǎn)單的技術(shù)之一，因此被廣泛關(guān)注。研究者發(fā)現(xiàn)通過吸附分離的方法從天然氣中捕獲CO2，可以作為傳統(tǒng)胺溶液吸收脫碳技術(shù)的潛在替代方法。
　　目前使用較為廣泛的吸附劑有碳材料（活性炭和碳分子篩）和沸石分子篩，以及最近興起的金

2、屬有機(jī)骨架（MOFs）材料。對(duì)比這幾種吸附劑發(fā)現(xiàn)：碳材料不具有均一的孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)制備條件受原材料的限制，MOFs材料穩(wěn)定性較差，相比而言，沸石分子篩具有均一的孔結(jié)構(gòu)和孔徑大小，熱穩(wěn)定好，以及可調(diào)變的比表面積和孔容積，因此對(duì)沸石分子篩作為吸附劑的研究和應(yīng)用較多。
　　本論文著重研究了小孔徑沸石分子篩ZK-5，制備了硅鋁比介于3.2-3.6之間的分子篩，并通過Cs與K離子的交換，得到只允許CO2氣體進(jìn)入孔道而限制CH4氣體通過的具有“

3、分子門”效應(yīng)的ZK-5分子篩，從而具有優(yōu)異的CO2/CH4分離效果。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論包括：
　?。?）以硅溶膠作為硅源，偏鋁酸鉀作為鋁源，不添加模板劑，通過不同配比調(diào)變，合成出小硅鋁比范圍內(nèi)的四種不同ZK-5分子篩，硅鋁比分別為3.20、3.30、3.39、3.54。
　　（2）通過離子交換得到對(duì)應(yīng)的Cs-ZK-5（Cs/K=9/1）分子篩，對(duì)四種不同硅鋁比的Cs-ZK-5分子篩進(jìn)行性能表征。通過XRD、S EM、

4、TG、EDS和元素分析對(duì)所制備的分子篩進(jìn)行了詳細(xì)的表征，我們發(fā)現(xiàn)Cs-ZK-5分子篩有比較好的熱穩(wěn)定性，良好的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)四種Cs-ZK-5分子篩進(jìn)行CO2、CH4以及N2的吸附測(cè)試，發(fā)現(xiàn)引入更多的Cs+將會(huì)降低孔容。雖然材料對(duì)CH4的吸附量出現(xiàn)降低，但是由于CO2的吸附量偏低，致使材料對(duì)CO2/CH4、CO2/N2和CH4/N2混合氣體的吸附選擇性相比于K-KFI并沒有明顯的提高，但是對(duì)CO2/CH4的吸附比與吸附選擇性要優(yōu)于常規(guī)吸附

5、劑。
　?。?）通過K離子交換得到四種不同硅鋁比的K-ZK-5（Cs/K=1/9）分子篩，并進(jìn)行氣體吸附性能測(cè)試。在硅鋁比較低時(shí)，發(fā)現(xiàn)引入更多的K+，分子篩只允許CO2通過，阻止了CH4和N2通過，具有“分子門”的效應(yīng)，進(jìn)而提升了CO2/CH4的吸附選擇性。其中ZK-5-1-K有著優(yōu)異的CO2/CH4吸附選擇性，在298 K，100 kPa時(shí)CO2/CH4的吸附選擇性最高達(dá)到283。但是隨著硅鋁比的增大，分子門的效應(yīng)消失，CO2/