1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

随着全球环境问题和能源问题的日益突出，人们越来越清楚地认识到天然气作为一种清洁能源，在能源开采与利用中的重要地位。作为天然气的主要成分，甲烷(ch4)一直以来被认为是一种高效洁净的能源和化工原料，并广泛存在于天然气、煤层气、油田气和其他资源中[1]。但是，在上述气体中，除了ch4以外还存在n2,co2等杂质组分，这些组分不仅会降低ch4作为能源的热值，而且酸性气体co2还会在原料输送过程中对管道产生腐蚀，极大地增加了能源利用成本。因此，为了高效利用天然气等原料中的ch4，对其进行分离提纯，即去除混合气中的n2和co2就占据举足轻重的地位。目前，对ch4的提纯技术有低温精馏，膜分离和变压吸附等3种，各有特点及优势。其中，变压吸附(pressure swing adsorption ,psa)工艺自面世以来便以其能耗低，流程简单，操作灵活，产品纯度高，自动化程度高等特点备受关注，并在近年来得到越来越广泛的应用。根据动力学效应和平衡效应原理，psa吸附分离ch4的扩散系数之比大于30或平衡系数分离系数之比大于2就能够满足分离要求[2]。而混合气组分中，n2和ch4的物理性质比较接近，因此psa分离提纯ch4的技术难点就在于对n2/ch4的分离，且影响混合气分离的一个关键因素就是吸附剂的选择[1]。常用的吸附剂大致有活性炭，沸石(zms)和碳分子筛（cms）三类。本文将对近年来国内外psa分离n2/ch4/co2体系的吸附剂研究与应用进展进行综述。

1 活性炭分离n2/ch4/co2的研究进展

作为一种历史悠久的多孔材料，活性炭具有大量微孔，比表面积巨大，价格低廉，原料广泛等特点，一直受到吸附分离领域的关注[3]。有对活性炭对n2/ch4/co2吸附性能的研究表明，其吸附符合langmuir模型，且吸附性能co2＞ch4＞n2。马正飞[4]等报道，活性炭对co2的吸附容量主要由活性炭的表面特性决定，与比表面积、孔径分布等内部结构无关。天津大学周理[5]制备了一种表面积在1700㎡/g以上的高表面活性炭，增大了ch4和n2之间的吸附能力差异，并达到了psa所需的分离系数以用于ch4/n2二元组分的分离。此技术可在常温与低压(小于1mpa)的条件下进行操作，能耗低且节约成本，但未见此技术应用于工程实践的报道。重庆大学鲜学福院士领导的研究小组对煤层气中ch4的psa分离进行了探讨，辜敏[6]以t103活性炭为吸附剂进行了单塔psa实验分离n2/ch4混合气；杨明莉[7]将正二十四烷用于活性炭的表面亲烃改性，改性后的活性炭表面酸性基团减少，从而提高了对ch4的亲和性，使得活性炭在更宽的压力范围对n2/ch4混合气也有较好的分离效果；张薄[8]等使用iga测定了n2/ch4/co2在椰壳活性炭上的吸附平衡和扩散系数，结果表明n2/ch4可在298k和低压下进行动力学分离，而n2/co2的动力学分离可以在298k和323k和较宽的压力范围下进行。李通[9]等分别使用双氧水，氨水和盐酸对活性炭进行改性，大幅提高了活性炭的吸附容量，并发现双氧水与氨水改性后的活性炭对ch4/co2的分离因子也有显著提高。olajossy[10]以活性炭为吸附剂，对煤层气中的ch4进行了真空变压吸附实验和计算机模拟，结果表明含有55%（体积分数）ch4的原料气在278k，吸附压力300kpa，解吸压力25kpa的吸附条件下，获得了体积分数在96%到98%的ch4产品，且回收率在86%到91%。baksh[11]等对活性炭表面进行了二氧化钼改性，得到了一种复合吸附剂，并对ch4和n2的等温吸附线进行了测定。结果表明二氧化钼的用量增加会导致活性炭对气体吸附容量和bet比表面积的降低，但n2/ch4的平衡分离系数却有一定提高，当二氧化钼的含量在18%时平衡分离系数有最优值4.25。其又对溴沉积改性活性炭进行了研究，结果发现改性后的活性炭对ch4的吸附量保持不变，但对n2的吸附量减少，即活性炭对n2/ch4的分离系数有所提高，并有望应用于工业生产。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

随着全球能源问题的日益突出，提浓天然气、煤层气等资源中的甲烷对工业化社会的正常发展愈发重要，变压吸附分离技术则以为人们提供了一条可行并且经济的路线。当分离体系在吸附剂上的扩散系数之比大于30或平衡分离系数之比大于2便能满足分离需求。而n2/ch4/co2体系在不同吸附剂上的扩散系数/平衡分离系数亦不相同，这就决定了采用吸附分离技术的关键在于吸附剂，需要对吸附剂的结构特性进行分析判断其是否适合被用于分离体系，并进行单/多组分吸附平衡测定，探索特定吸附剂对特定体系的分离规律从而评价各种吸附剂对此体系的吸附分离性能。在确定了吸附剂种类之后，操作条件的选取又进一步影响工业生产的效率，需要进行不同水平的试验筛选最佳操作条件。

待研究的问题：

n2/ch4/co2体系的充分分离；