一種空分制氧吸附劑的制備

總第163期Total 1632016年第3期SHANXI CHEMICAL INDUSTRYNo.3,2016科研與開(kāi)發(fā)DOl:10.16525/j.cnk.cn14-1109/tq.2016.03.03種空分制氧吸附劑的制備任晶(太原師范學(xué)院化學(xué)系,山西太原030031)摘要:以13X為主吸附劑,以凹凸棒土為黏結劑,二者均勻摻泯混成型,制備出具有高性能的空分制氧吸附劑。當凹凸棒土經(jīng)3%焦磷酸鈉提純后,α(13X):w(凹凸棒土)=4.0:1.0、焙燒溫度為500℃時(shí),氮氧分離比最大,分離性能最好關(guān)鍵詞:氦氧分離比;吸水性;CO2吸附性;吸附劑;制備中圖分類(lèi)號:TQ424文獻標識碼:A文章編號:1004-7050(2016)03-0007-031903年,德國卡爾·林德先生采用深低溫空氣分離法,即深冷法發(fā)明了世界上第1臺空分制氧3樣品分析表征(吸附性能測試)機,至今已有110多年的歷史。在德國,幾乎每家都樣品的飽和吸水率根據沸石分子篩靜態(tài)吸水值配備一臺制氧機?？辗种蒲鯔C的核心是空氣中氧氣的測試方法GB6287-86測定和其他氣體的分離。目前,空分最常用的方法是深采用NOVA1200e型物理吸附儀測定樣品對度冷凍法、分子篩吸附法(變壓吸附)和膜分離法。N2、O2、CO2的平衡吸附量。樣品經(jīng)140℃(1h)、采用深冷法氧氣的純度可達98.0%~99.9%,其低300℃(2h)真空活化后,通入待測吸附質(zhì)(N2、O2、溫操作適合工業(yè)上大型設備的使用;膜分離技術(shù)的CO2),測定其吸附等溫線(xiàn)(測試壓力為0.1MPa,溫氮氧分離比低;而變壓吸附(PSA)法在常溫和中低度為25℃)。壓下進(jìn)行,操作方便,條件可控,是小型家用空分制氧機制備氧氣最適用的方法,其核心是吸附劑的制4結果與分析備,最主要的技術(shù)指標是氮氧分離比本實(shí)驗采用沸石分子篩作為主吸附劑,是由于實(shí)驗原料與試劑其具有選擇吸附和高效吸附2大特性。在龐大的沸石分子篩家族中,A型和Ⅹ型分子篩是最早制備出13X沸石分子篩、凹凸棒土、焦磷酸鈉。來(lái)的,也是研究最徹底的,在工業(yè)上常用作催化劑和2實(shí)驗方法(樣品的制備)吸附劑。有文獻報道1,采用簡(jiǎn)單的變壓吸附PSA裝置制備低濃度氧,在操作條件和產(chǎn)品氧純度不變將13X型沸石分子篩和凹凸棒土按一定的質(zhì)的情況下,采用X型分子篩的生產(chǎn)能力和氧的回收量比均勻混合,加水捏合成團,經(jīng)成型機擠壓成條形率分別比A型分子篩高10%和15%。而在PSA過(guò)樣品;成型后的樣品在90℃烘箱干燥后,以5℃/min程中,A型分子篩的解吸困難,不利于吸附劑的再生的升溫速度加熱到450℃~600℃C,并恒溫焙燒和氧氣的循環(huán)制備4h,即得到型體13X沸石分子篩吸附劑20世紀90年代,人們開(kāi)始對LX型23和LILSX型[沸石分子篩進(jìn)行研究,發(fā)現這種分子篩收稿日期:201604-07對氮氣的吸附容量大幅提高。這是由于,Li'是半作者簡(jiǎn)介任晶,女,1985年出生,212年畢業(yè)于太原理工大學(xué),項徑最小的陽(yáng)離子,與N2的作用力很強。但是,制備士學(xué)位,助教。研究方向:分子篩的合成和應用。LⅸX型沸石分子篩成本高,不適合工業(yè)上大規模應用山西化工sxhxgy@163.com第36卷成型后吸附劑的性能會(huì )因黏結劑的種類(lèi)和比例表2不同焙燒溫度下分子篩吸附劑的吸附性能的不同而發(fā)生很大的變化。本實(shí)驗選取凹凸棒土作O焙燒溫度/氧CO2飽和為黏結劑,其豐富的孔隙結構、纖維狀納米晶粒的大C吸附容量/吸附容量/分離比吸附容量/吸水率/(N2/O2)mL·g表面效應和表面電負性等特點(diǎn),可以減少對吸附劑450吸附容量的影響。本實(shí)驗主要從氮氧分離比(N2/O2)、飽和吸水6.2l2.252.76101.5率和CO2的吸附容量3個(gè)方面來(lái)考察吸附劑的性6005.311.982.6891.422.1能,從而確定最優(yōu)制備條件。其中,氮氧分離比是主度達到600℃時(shí),對N2和CO2吸附容量的下降,導要技術(shù)指標,一般認為分離比大于2.90時(shí),制得氧致氮氧分離比急劇下降,不能滿(mǎn)足吸附分離的需要。氣純度達到95%以上,完全可以滿(mǎn)足家用空分制氧這是由于,高溫破壞了凹凸棒土的結構,不僅降低了機的使用;水分和CO2是空氣中除氮氧以外含量最其對分子篩吸附劑的雙功能作用,而且塌陷的凹凸高的物質(zhì),因此,我們要求CO2的吸附容量達到棒土堵塞了13X分子篩本身的孔道,導致吸附容量100mL/g,飽和吸水率達到30%左右。大幅下降?？梢?jiàn),500℃是型體吸附劑一個(gè)平衡的4.1黏結劑與分子篩的摻混比例焙燒溫度。以凹凸棒土作為黏結劑,研究了黏結劑和沸石4.3分散劑含量分子篩摻混比例對型體吸附劑性能的影響,如表1將經(jīng)1%、2%、3%、4%、5%、6%焦磷酸鈉提純表1不同摻混比例的沸石分子篩吸附劑的吸附性能后的凹凸棒土與13X型沸石分子篩成型后的吸附(13X):N2劑樣品分別記為 Jlsnl、Jln2、Jlsn3、Jlsn4、Jlsa(凹土)吸附容量/吸附容量/分離比吸附容量/嗄水率mL·g-mL·g-1(N2/O2)mL·g-1Jlsn6。1.0:0.07.232.842.55128.433.6表3列出了分子篩吸附劑樣品在298K4.0:0.66.902.60118.931.299.3KPa環(huán)境下對N2、O2、CO2的吸附容量和飽和4.0:0.86.702.4014.530.4吸水率4.0:1.06.642.262.9410229.6表3不同黏結荊成型后分子篩吸附劑的吸附性能4.0:1.26.29從表1可以發(fā)現,隨著(zhù)黏結劑加入比例的增大,吸附劑吸附容量/吸附容量/分離比吸附容量/吸水率/型體吸附劑對N2、O2、CO2的吸附容量和對H2O的ml·g1mL.·g-1(N2/O2)ml·g-1%飽和吸附率都有所下降。當13X與凹土摻混比例未提純4.951.922.589.423.6Lanl2.75102.525為4.0:1.0時(shí),樣品的氮氧分離比達到最大值2.82102.628.62.94。在此條件下,樣品吸水率較高、CO2吸附容JIsn32.94102.529.6量也達到100mL/g以上。JIsn46.692.29110.84.2焙燒溫度7.012.382.95108.430.513X型沸石分子篩獨特的β籠結構和骨架中的JIsn66.942.352.95108.631.2三維孔道結構,使其具有良好的吸附性。當它作為從表3可以看出,以焦磷酸鈉提純后的凹凸棒吸附劑使用前,必須先脫除表面水分子、晶內水分子土作為黏結劑,成型后的分子篩吸附劑樣品對N2、和氫分子等細小分子。一般來(lái)說(shuō),13X型分子篩活O2、CO2的吸附容量和飽和吸水率都有所提高。當化溫度在500℃~600℃,只有經(jīng)過(guò)高溫焙燒,才能焦磷酸鈉量大于3%時(shí),氮氧分離比均在2.90以將孔道內吸附的雜質(zhì)完全脫除干凈。但是,考慮到上,可以作為空分制氧機的吸附劑使用?？紤]到成高溫對黏結劑凹凸棒土性能的影響,本實(shí)驗選取本,我們選擇3%焦磷酸鈉提純后的凹凸棒土作為黏450、500、550、600℃作為考察溫度,得到表2數據。結劑。在此條件下,樣品的飽和吸水率達到29.6%,從表2可以看出,經(jīng)450℃焙燒后,型體沸石吸CO2吸附容量達到100mL/g以上,完全可以滿(mǎn)足附劑對N2、O2、CO2的吸附容量和飽和吸水率均最工業(yè)上大規模應用。大。隨著(zhù)溫度的升高,各項性能都有不同程度的降4.4反應機理低。經(jīng)500℃焙燒后,吸附劑的氮氧分離比達到最N2有較強的四極矩,且極化率較大,在中、低壓大,CO2吸附容量和飽和吸水率也較高。當焙燒溫(如0.6MPa)下,N2與沸石分子篩中陽(yáng)離子的作用2016年第3期任晶:一種空分制氧吸附劑的制備力強于O2。分子篩吸附劑在吸附過(guò)程中優(yōu)先吸附for production of 23%-50% oxygen-enriched air[J]N2,而使N2的平衡吸附容量遠遠高于O2,從而達Separation Science and Technology, 1988, 23(4): 437到氮氧選擇性吸附分離的目的。然后,通過(guò)降壓將450吸附的N2從吸附劑中解吸出來(lái),達到吸附劑的再2 Bakshis, Kikkinides S, Yang R T. Lithiumtype x zeolite as a superior sorbent for air separation[J]. Sep Sci生(,循環(huán)往復地制備氧氣,這也是變壓吸附的工作8.Tech,1992,27(3):277-294原理。對H2O和CO2高的吸附量可以保證將O[3 Leavitt, Frederick W. Air separation pressure swing ad-與空氣中其他氣體完全分離,在降壓解吸過(guò)程中吸sorption process: US5 074 892[P]. 1991-12-24附的N2、H2O和CO2也可以從吸附劑中解吸出來(lái)。[4] Chao Cc. Process for separating nitrogen from mix-tures thereof with less polar substances: US4 859 2175結論[P].1989-08-22.以13X型分子篩作為主吸附劑,以3%焦磷酸[5] Kirner JF,Pao. Nitrogen adsorption with highly Li ex-鈉分散提純后的凹凸棒土作為黏結劑,二者均勻摻changed X-zeolites with low Si/Al ratio: US5 268 023混,加水捏合成型。結果表明,二者摻混比例[P].1993-1207.(13x):w(凹凸棒土)=4.0:1.0、焙燒溫度為6] Rege S U, Yang R T. Limits for air separation by adsorption with LiX zeolite[J]. Ind Eng Chem Res, 1997500℃時(shí),型體分子篩吸附劑的氮氧分離比最大。36(12):5358-5365此時(shí),CO2的吸附容量和飽和吸水率也較高,可以[7]李杰.變壓吸附空分制氧的技術(shù)進(jìn)展[J化學(xué)工業(yè)與滿(mǎn)足小型家用制氧機的使用。工程,2004,3(21):201-205參考文獻:[1 Sircar S, Kratz W C a pressure swing adsorption processSynthesis of the adsorbent for air separation and oxygen productionREN JingDepartment of Chemistry, Taiyuan Normal University, Taiyuan Shanxi 030031, China)Abstract: The high efficient adsorbent for air separation and oxygen production was prepared by blending with 13X and at-tapulgite. The 13X was used as the main adsorbent, and the attapulgite was used as the binder. Nitrogen oxygen separation ra-tio and the separation performance of the adsorbent was optima Under the conditions that w(13X): w(Attapulgite)=4: I andthe calcination temperature was 500 CKey words: nitrogen and oxygen separation ratio; water absorption; CO adsorption; adsorbent〈山西化工》2016年征訂及征稿啟事本刊為職稱(chēng)資格評審認定刊物,歡迎投稿《山西化工》雜志創(chuàng )刊于1958年,系國家新聞出版總署批準的山西省唯一綜合性化工科技期刊,為中國石油和化工行業(yè)優(yōu)秀期刊及山西省一級期刊(優(yōu)秀期刊)?！渡轿骰ぁ冯s志為中國核心期刊(遴選)數據庫、中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價(jià)數據庫、《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)》《中國期刊網(wǎng)》、中文科技期刊數據庫和《中國化學(xué)化工文摘》等收錄期刊?！渡轿骰ぁ冯s志國內外公開(kāi)發(fā)行,四封彩色印刷,設計新穎,裝幀精美,客戶(hù)遍及全國化工、煤化、焦化、石化等相關(guān)企事業(yè)單位及產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)單位,讀者涉及決策人員,各級管理干部,市場(chǎng)開(kāi)發(fā)人員,科研、生產(chǎn)、設計的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員及高等院校師生等?！渡轿骰ぁ冯s志的中國標準刊號為ISSN1004-7050,CN14-1109/TQ;廣告經(jīng)營(yíng)許可證號為1400004000286。雙月刊。每?jì)远▋r(jià)15.00元,全年90.00元。郵發(fā)代號22-172地址;山西省太原市文源巷35號郵編:030001電話(huà)(傳真):(0351)73314792023819郵箱:sxhxgy@163.comsxhgbjb@126.com網(wǎng)址htp://www.山西經(jīng)濟和信息化出版傳媒中心com