本技术涉及气体吸附分离领域,介绍了一种环保的碳分子筛制备方法,用于高效分离氮气和氢气。该方法通过金属盐化合物处理生物质碳源,并在管式炉中进行碳化,以实现绿色制备。
背景技术
高纯氮气作为电子大宗气体中的重要组成部分,在电子、多晶硅等行业的应用愈发广泛,而氢气也作为重要的绿色能源,需求量剧增。目前,高纯氮气主要通过深冷精馏的方法从制氮装置中获取,然而,这一过程中得到的气体往往混杂着氢气等永久性气体,这些气体属于难脱除杂质,脱除能耗高、难度大。随着对高纯气体纯度要求的日益提高,对气体中杂质含量及纯化工艺能源消耗的控制也愈加严格,因此更加高效的氮气纯化和氢气提取技术显得尤为重要。
在氮气纯化和除杂过程中,鉴于氢气与氮气之间物化性质的相似性,纯化过程颇具挑战性。传统的去除方法主要使用催化转化技术。然而,催化转化法可能引入水、氧气等新的杂质,需要进行二次处理,对纯化过程设计提出了更高的要求。同时,氢气作为当代新能源领域的重要资源,其高能量密度、可再生性和无污染特性备受瞩目。从大型氮气工业生产设施中回收氢气,在获得超纯氮气产品的同时,也可为氢能终端提供高品质氢气,对推动氢能源领域的发展具有深远意义。目前,针对氢气与氮气的分离,主流技术包括膜分离、深冷分离和吸附分离。然而,膜分离技术在工业应用中受到使用寿命短和氢气渗透通量低的限制;深冷分离则需要消耗大量能源,与氢能利用的初衷相悖;而变压吸附技术的关键在于吸附剂的选择性。筛分分离技术以其卓越的选择性备受瞩目。因此,研究制备能够筛分氢气与氮气的高效吸附剂,在氮气提纯和氢气富集除杂领域具有广阔的工业应用前景。
沥青基多孔炭吸附剂具有较好的技术成熟度。沥青是石油化工产业的副产物,也是来源广泛、价格低廉、表面官能团丰富的矿物碳源。其中,常用的石油沥青主要由沥青质、油分、树脂三种组分组成,沥青在温度升高时呈现流动性,同时又因油分挥发而急剧失重,这给沥青基多孔炭吸附剂的制备带来高污染、高能耗、制备时间长、操作复杂等问题,所得到的产品的残碳量低且难以形成高选择性的筛分孔道结构。与之相比,生物质碳源具有绿色环保、可再生的优势,如椰壳炭等生物质活性炭吸附剂也因制备方法简单、吸附容量高而广泛用于环境污染控制。然而,此类材料的吸附选择性技术指标面临挑战,可用于化工分离、筛分分离氢气和氮气的报道较少。因此,在氢气提取和高纯氮气制备的技术领域,亟待开发出新的具有筛分分离性能的碳分子筛以满足日益增长的工业应用需求。
实现思路