田军鹏，沈圆辉，张东辉，唐忠利

（天津大学化工学院，化学工程研究所，化学工程联合国家重点实验室，天津300350）

引 言

甲烷被认为是一种高效、清洁的化石能源[1]，同时也作为基本原料用于合成多种商业化学品[2-3]。另外，甲烷也是一种有害的温室气体，其温室效应是二氧化碳的20 倍以上[4]，如果不妥善处理会对环境造成严重影响[5]。煤层气作为一种非常规天然气，是一种尚未得到有效利用的丰富能源资源。但是大部分煤层气中甲烷浓度偏低，无法用作主要燃料，大都被直接排放到大气中，不仅造成了严重的资源浪费，而且加剧了温室效应[6]，因此迫切需要将煤层气中甲烷含量提高以实现资源有效利用。煤层气主要包括CH4和大量的N2，由于它们的物理化学性质相似，实现二者有效分离面临很大的挑战[7]。目前，煤层气浓缩分离的主要方法有低温蒸馏[8-9]、膜分离[10-11]和变压吸附[12-13]。低温蒸馏是一种相对成熟的技术，可以达到较高的产品纯度，但在重复压缩和冷却过程中消耗的能量非常高[14]。膜分离是基于分子尺寸差异[15]，但CH4和N2分子的动态直径非常接近(CH4: 0.38 nm, N2: 0.364 nm)，导致分离性能不理想[16]。相比之下，变压吸附(pressure swing adsorption，PSA)是基于不同吸附剂对CH4和N2的吸附量不同，且能耗低，自动化程度高，操作灵活，分离效果好，已经得到了广泛的研究和应用[17-19]，但是要求选定的吸附剂具有高选择性和吸附容量[20-21]，这是决定PSA工艺性能的首要因素。

目前常用的吸附分离CH4/N2的吸附剂有活性炭、硅基分子筛和碳分子筛等。……