改性天然辉沸石吸附性质研究

我国北京地区蕴藏高纯度、高品位天然辉沸石（STI），至今未被开发。本研究拟采用阳离子交换、控制焙烧、水蒸气处理、碱溶等方法对STI沸石进行改性，阐明改性方法对沸石晶体结构、表面性质、比表面积、孔容积等影响机制，探索改性天然沸石在吸附方面的特性，重点开发其作为新型甲烷吸附剂和干燥剂，分别用于煤矿中瓦斯气提纯和中空玻璃分子筛吸附剂。研究基于STI沸石骨架结构含有二维十元环和八元环孔道，与工业上广泛应用的ZSM-5(MFI)和ZSM-35(FER)等沸石孔道结构相近。前期工作在提高天然STI沸石结构稳定性的基础上，分别研究了其在离子交换、催化、吸附和功能材料组装等方面的性质。近期工作将其水热稳定性提高至750℃以上，发现甲烷吸附容量为31.7mL/g，与活性炭接近，甲烷/氮气分离系数高于3，用作瓦斯气富集中的甲烷吸附剂；饱和水吸附量为15%，低分压下水吸附量和吸附速率略高于商品化中空3A分子筛。

本项目重点开展了天然辉沸石的化学改性和吸附性质研究。采用离子交换、焙烧和酸处理等方法对天然辉沸石进行改性，研究了影响该沸石热稳定性和水热稳定性的因素。我们发现阳离子种类和位置均会影响该沸石的水热稳定性，其中铵型辉沸石水热稳定性最高。随水蒸汽温度提高，沸石骨架脱铝后缺陷增多，从而使骨架硅铝比线性增加，从6.5提高至21.3。在水蒸汽温度550oC，沸石比表面积达到最大值（352 m2/g）。在此基础上，我们研究了改性后天然辉沸石对CH4、N2、CO2、H2O等吸附性质，进一步验证甲烷吸附容量为31.7mL/g，甲烷/氮气分离系数高于4，均高于商品化活性炭；饱和水吸附量为15%，还证明了在低分压下水吸附量和吸附速率略高于商品化3A分子筛，表明改性天然辉沸石具有作为甲烷吸附剂和中空玻璃分子筛吸附剂的开发潜力。