一种空分制氧吸附剂的制备

总第163期Total 1632016年第3期SHANXI CHEMICAL INDUSTRYNo.3,2016科研与开发DOl:10.16525/j.cnk.cn14-1109/tq.2016.03.03种空分制氧吸附剂的制备任晶(太原师范学院化学系,山西太原030031)摘要:以13X为主吸附剂,以凹凸棒土为黏结剂,二者均匀掺泯混成型,制备出具有高性能的空分制氧吸附剂。当凹凸棒土经3%焦磷酸钠提纯后,α(13X):w(凹凸棒土)=4.0:1.0、焙烧温度为500℃时,氮氧分离比最大,分离性能最好关键词:氦氧分离比;吸水性;CO2吸附性;吸附剂;制备中图分类号:TQ424文献标识码:A文章编号:1004-7050(2016)03-0007-031903年,德国卡尔·林德先生采用深低温空气分离法,即深冷法发明了世界上第1台空分制氧3样品分析表征(吸附性能测试)机,至今已有110多年的历史。在德国,几乎每家都样品的饱和吸水率根据沸石分子筛静态吸水值配备一台制氧机。空分制氧机的核心是空气中氧气的测试方法GB6287-86测定和其他气体的分离。目前,空分最常用的方法是深采用NOVA1200e型物理吸附仪测定样品对度冷冻法、分子筛吸附法(变压吸附)和膜分离法。N2、O2、CO2的平衡吸附量。样品经140℃(1h)、采用深冷法氧气的纯度可达98.0%~99.9%,其低300℃(2h)真空活化后,通入待测吸附质(N2、O2、温操作适合工业上大型设备的使用;膜分离技术的CO2),测定其吸附等温线(测试压力为0.1MPa,温氮氧分离比低;而变压吸附(PSA)法在常温和中低度为25℃)。压下进行,操作方便,条件可控,是小型家用空分制氧机制备氧气最适用的方法,其核心是吸附剂的制4结果与分析备,最主要的技术指标是氮氧分离比本实验采用沸石分子筛作为主吸附剂,是由于实验原料与试剂其具有选择吸附和高效吸附2大特性。在庞大的沸石分子筛家族中,A型和Ⅹ型分子筛是最早制备出13X沸石分子筛、凹凸棒土、焦磷酸钠。来的,也是研究最彻底的,在工业上常用作催化剂和2实验方法(样品的制备)吸附剂。有文献报道1,采用简单的变压吸附PSA装置制备低浓度氧,在操作条件和产品氧纯度不变将13X型沸石分子筛和凹凸棒土按一定的质的情况下,采用X型分子筛的生产能力和氧的回收量比均匀混合,加水捏合成团,经成型机挤压成条形率分别比A型分子筛高10%和15%。而在PSA过样品;成型后的样品在90℃烘箱干燥后,以5℃/min程中,A型分子筛的解吸困难,不利于吸附剂的再生的升温速度加热到450℃~600℃C,并恒温焙烧和氧气的循环制备4h,即得到型体13X沸石分子筛吸附剂20世纪90年代,人们开始对LX型23和LILSX型[沸石分子筛进行研究,发现这种分子筛收稿日期:201604-07对氮气的吸附容量大幅提高。这是由于,Li'是半作者简介任晶,女,1985年出生,212年毕业于太原理工大学,项径最小的阳离子,与N2的作用力很强。但是,制备士学位,助教。研究方向:分子筛的合成和应用。LⅸX型沸石分子筛成本高,不适合工业上大规模应用山西化工sxhxgy@163.com第36卷成型后吸附剂的性能会因黏结剂的种类和比例表2不同焙烧温度下分子筛吸附剂的吸附性能的不同而发生很大的变化。本实验选取凹凸棒土作O焙烧温度/氧CO2饱和为黏结剂,其丰富的孔隙结构、纤维状纳米晶粒的大C吸附容量/吸附容量/分离比吸附容量/吸水率/(N2/O2)mL·g表面效应和表面电负性等特点,可以减少对吸附剂450吸附容量的影响。本实验主要从氮氧分离比(N2/O2)、饱和吸水6.2l2.252.76101.5率和CO2的吸附容量3个方面来考察吸附剂的性6005.311.982.6891.422.1能,从而确定最优制备条件。其中,氮氧分离比是主度达到600℃时,对N2和CO2吸附容量的下降,导要技术指标,一般认为分离比大于2.90时,制得氧致氮氧分离比急剧下降,不能满足吸附分离的需要。气纯度达到95%以上,完全可以满足家用空分制氧这是由于,高温破坏了凹凸棒土的结构,不仅降低了机的使用;水分和CO2是空气中除氮氧以外含量最其对分子筛吸附剂的双功能作用,而且塌陷的凹凸高的物质,因此,我们要求CO2的吸附容量达到棒土堵塞了13X分子筛本身的孔道,导致吸附容量100mL/g,饱和吸水率达到30%左右。大幅下降。可见,500℃是型体吸附剂一个平衡的4.1黏结剂与分子筛的掺混比例焙烧温度。以凹凸棒土作为黏结剂,研究了黏结剂和沸石4.3分散剂含量分子筛掺混比例对型体吸附剂性能的影响,如表1将经1%、2%、3%、4%、5%、6%焦磷酸钠提纯表1不同摻混比例的沸石分子筛吸附剂的吸附性能后的凹凸棒土与13X型沸石分子筛成型后的吸附(13X):N2剂样品分别记为 Jlsnl、Jln2、Jlsn3、Jlsn4、Jlsa(凹土)吸附容量/吸附容量/分离比吸附容量/嗄水率mL·g-mL·g-1(N2/O2)mL·g-1Jlsn6。1.0:0.07.232.842.55128.433.6表3列出了分子筛吸附剂样品在298K4.0:0.66.902.60118.931.299.3KPa环境下对N2、O2、CO2的吸附容量和饱和4.0:0.86.702.4014.530.4吸水率4.0:1.06.642.262.9410229.6表3不同黏结荆成型后分子筛吸附剂的吸附性能4.0:1.26.29从表1可以发现,随着黏结剂加入比例的增大,吸附剂吸附容量/吸附容量/分离比吸附容量/吸水率/型体吸附剂对N2、O2、CO2的吸附容量和对H2O的ml·g1mL.·g-1(N2/O2)ml·g-1%饱和吸附率都有所下降。当13X与凹土掺混比例未提纯4.951.922.589.423.6Lanl2.75102.525为4.0:1.0时,样品的氮氧分离比达到最大值2.82102.628.62.94。在此条件下,样品吸水率较高、CO2吸附容JIsn32.94102.529.6量也达到100mL/g以上。JIsn46.692.29110.84.2焙烧温度7.012.382.95108.430.513X型沸石分子筛独特的β笼结构和骨架中的JIsn66.942.352.95108.631.2三维孔道结构,使其具有良好的吸附性。当它作为从表3可以看出,以焦磷酸钠提纯后的凹凸棒吸附剂使用前,必须先脱除表面水分子、晶内水分子土作为黏结剂,成型后的分子筛吸附剂样品对N2、和氢分子等细小分子。一般来说,13X型分子筛活O2、CO2的吸附容量和饱和吸水率都有所提高。当化温度在500℃~600℃,只有经过高温焙烧,才能焦磷酸钠量大于3%时,氮氧分离比均在2.90以将孔道内吸附的杂质完全脱除干净。但是,考虑到上,可以作为空分制氧机的吸附剂使用。考虑到成高温对黏结剂凹凸棒土性能的影响,本实验选取本,我们选择3%焦磷酸钠提纯后的凹凸棒土作为黏450、500、550、600℃作为考察温度,得到表2数据。结剂。在此条件下,样品的饱和吸水率达到29.6%,从表2可以看出,经450℃焙烧后,型体沸石吸CO2吸附容量达到100mL/g以上,完全可以满足附剂对N2、O2、CO2的吸附容量和饱和吸水率均最工业上大规模应用。大。随着温度的升高,各项性能都有不同程度的降4.4反应机理低。经500℃焙烧后,吸附剂的氮氧分离比达到最N2有较强的四极矩,且极化率较大,在中、低压大,CO2吸附容量和饱和吸水率也较高。当焙烧温(如0.6MPa)下,N2与沸石分子筛中阳离子的作用2016年第3期任晶:一种空分制氧吸附剂的制备力强于O2。分子筛吸附剂在吸附过程中优先吸附for production of 23%-50% oxygen-enriched air[J]N2,而使N2的平衡吸附容量远远高于O2,从而达Separation Science and Technology, 1988, 23(4): 437到氮氧选择性吸附分离的目的。然后,通过降压将450吸附的N2从吸附剂中解吸出来,达到吸附剂的再2 Bakshis, Kikkinides S, Yang R T. Lithiumtype x zeolite as a superior sorbent for air separation[J]. Sep Sci生(,循环往复地制备氧气,这也是变压吸附的工作8.Tech,1992,27(3):277-294原理。对H2O和CO2高的吸附量可以保证将O[3 Leavitt, Frederick W. Air separation pressure swing ad-与空气中其他气体完全分离,在降压解吸过程中吸sorption process: US5 074 892[P]. 1991-12-24附的N2、H2O和CO2也可以从吸附剂中解吸出来。[4] Chao Cc. Process for separating nitrogen from mix-tures thereof with less polar substances: US4 859 2175结论[P].1989-08-22.以13X型分子筛作为主吸附剂,以3%焦磷酸[5] Kirner JF,Pao. Nitrogen adsorption with highly Li ex-钠分散提纯后的凹凸棒土作为黏结剂,二者均匀掺changed X-zeolites with low Si/Al ratio: US5 268 023混,加水捏合成型。结果表明,二者掺混比例[P].1993-1207.(13x):w(凹凸棒土)=4.0:1.0、焙烧温度为6] Rege S U, Yang R T. Limits for air separation by adsorption with LiX zeolite[J]. Ind Eng Chem Res, 1997500℃时,型体分子筛吸附剂的氮氧分离比最大。36(12):5358-5365此时,CO2的吸附容量和饱和吸水率也较高,可以[7]李杰.变压吸附空分制氧的技术进展[J化学工业与满足小型家用制氧机的使用。工程,2004,3(21):201-205参考文献:[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年征订及征稿启事本刊为职称资格评审认定刊物,欢迎投稿《山西化工》杂志创刊于1958年,系国家新闻出版总署批准的山西省唯一综合性化工科技期刊,为中国石油和化工行业优秀期刊及山西省一级期刊(优秀期刊)。《山西化工》杂志为中国核心期刊(遴选)数据库、中国学术期刊综合评价数据库、《中国学术期刊(光盘版)》《中国期刊网》、中文科技期刊数据库和《中国化学化工文摘》等收录期刊。《山西化工》杂志国内外公开发行,四封彩色印刷,设计新颖,装帧精美,客户遍及全国化工、煤化、焦化、石化等相关企事业单位及产品营销单位,读者涉及决策人员,各级管理干部,市场开发人员,科研、生产、设计的专业技术人员及高等院校师生等。《山西化工》杂志的中国标准刊号为ISSN1004-7050,CN14-1109/TQ;广告经营许可证号为1400004000286。双月刊。每册定价15.00元,全年90.00元。邮发代号22-172地址;山西省太原市文源巷35号邮编:030001电话(传真):(0351)73314792023819邮箱:sxhxgy@163.comsxhgbjb@126.com网址htp://www.山西经济和信息化出版传媒中心com