变压分离吸附剂颗粒表面增韧技术的探索文献综述

 2021-09-30 10:09

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1.前言

随着现代化工业的发展,富氧空气的应用范围日益广泛。氧气作为一种重要原料在化学工业中用途广泛[1],传统获得氧气的方法主要通过低温精馏法,即深冷法,其投资大,能耗高,操作复杂,适用于大规模制氧领域。变压吸附法(PressureSwingAdsorption,简称PSA)是20世纪60年代才开发成功的,由于其灵活、方便、自动化操作、投资少、能耗低等[2、3、4]优点,近年来得到了快速发展,各国科研工作者对其研来也日益增多,主要体现在工艺流程的改进及新型高效吸附剂的开发上。吸附剂是PSA气体分离技术的基础,吸附剂的性能直接影响最终分离效果,甚至影响工艺步骤的复杂性和PSA的使用寿命。因此,在PSA技术中对吸附剂的研究极为活跃,既有对原有吸附剂的改性,又有新型高性能吸附剂的合成。目前常用的PSA富氧吸附剂主要集中于5A沸石分子筛和13X分子筛及基于二者基础之上的改性吸附剂,A型、X型沸石是最早发现的具有N2/O2筛分作用的吸附剂,曾经得到广泛的应用。但目前的吸附剂在使用一段时间后容易破损,导致吸附效率降低,同时也导致投入成本的增加。所以,本文主要是探讨怎样降低变压分离吸附剂的破损率,使之更好的满足人们的需要。

2.主题部分

2.1研究发展史

变压吸附剂多是无机物,大多是微孔材料,微孔材料主要包括多孔陶瓷、分子筛等。由于分子筛膜具有与分子大小相当且均匀一致的孔径、高温稳定、良好的择形性能以及改性等特点,所以研究方向主要集中在分子筛膜上面。Hayash等制备的分子筛炭膜αO2/N2可达14.6,用该膜可获得O2体积分数为78%的富氧空气。Suda等制备的Kapton聚酰亚胺基炭膜αO2/N2可高达36,由该膜可获得90%左右的富氧空气。国内汪锰[5]等以裂解法研制的硅基分子筛富氧膜富氧效果显著。0.3MPa压下富氧浓度可达41%。虽然无机膜具有耐高温、腐蚀等特点,但由于其质地脆弱、难以加工、储存、运输及使用过程中易破损且成本较高等缺点,所以它的应用也受到限制。对无机膜进行有机改性或对有机膜进行无机改性后的一种膜称为复合膜。常用的有机材料有聚硅烷、聚酰亚胺等。Foley研究组发现以刷涂法将聚糠醇涂覆到支撑体表面,αO2/N2为2.3[6],当采用喷涂法αO2/N2可控制在4.0~6.5之间[7]。

浅川等人把硅橡胶与聚砜的共聚物通过水上展开法制得100nm厚的超薄膜。这种超薄膜置于多孔质膜上得到的复合膜,可以从空气中直接富集到30%的富氧空气[8]。水上展开法最早是由美国通用电气公司(GE)开发出来的。其原理是少量聚合物溶液借助水的表面张力作用铺展成薄膜层,待溶剂蒸发后得到固体薄膜。由于这层膜非常薄,只有数十nm厚且机械强度差,不能直接使用。通常需要把多层膜覆盖到多孔支撑体上制成累积膜。

而我们要降低破损率,用的方法就是在吸附剂颗粒的表面包覆一层膜,这里主要是研究聚合物、纤维和小分子等原料,使之在变压分离吸附剂颗粒表面形成包覆层。

2.2聚合物

这里主要介绍两种比较常用的聚合物,壳聚糖和聚乙烯醇。

2.1.1壳聚糖

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