本發明涉及一種從空氣中吸附制氧的整體式吸附劑，其特征在于所述整體式吸附劑為規整結構吸附劑構建的復合型吸附劑，所述規整結構吸附劑的水力當量直徑介于15mm?10m、長度介于50mm?50m，內擴散距離介于0.01?0.2mm的形狀規整的吸附劑，所述規整結構吸附劑由多種吸附劑組裝而成，按照原料氣流向依次疊加，其順序為：脫水吸附劑、CO₂吸附劑、氮氣吸附劑和氬氣吸附劑；基于平衡吸附機理可以將空氣中較易吸附的組分吸附實現氧氣提純凈化。規整結構吸附劑為卷式纖維氈、布或紙，規整結構吸附劑的空隙率小于等于50％,復合型吸附床采用多種吸附劑組合方式依次將水、CO₂、氮氣和氬氣脫除，從而可以在保證氧濃度的狀況下顯著提高吸附劑的制氧效率。

技術領域

本發明屬于材料制備與混合氣吸附分離工程技術領域，具體涉及一種從空氣中吸附制氧的整體式吸附劑。

背景技術

氧氣和氮氣是重要的化工原料。高純氧氣被廣泛應用于鋼鐵工業、發電、化工、醫療保健、造紙和污水處理等領域。據報道，全球每年消耗高純氧氣約一億噸。隨著大規模清潔能源技術的發展，高純氧的消耗量將會繼續增長。氮氣是一種惰性氣體，主要被用作密封氣體、吹掃氣體以及食品加工與儲存的保護氣。因此高效率低成本地從空氣中分離出高純氧氣和氮氣具有巨大的商業價值。

用于空氣分離制取氮氣和氧氣的方法主要有低溫精餾法、膜分離法和變壓吸附法。變壓吸附法(Pressure Swing Adsorption，PSA)基于吸附劑優先吸附氮氣或氧氣分子的原理實現空氣分離，降低壓力使得吸附劑再生從而進入下一個循環。與低溫精餾法相比，PSA設備具有能耗低、投資少和操作簡便等優點。因此，PSA空氣分離在中小規模制氧領域發展迅速，已發展成為可以與低溫精餾法相抗衡的空分技術，其市場份額超過了20％。然而在大型空分領域的技術應用卻亟待突破。

當前，PSA空氣分離技術依然在沿著兩個方向持續發展：其一是吸附劑性能的改進，從而得到高吸附容量和選擇性的吸附劑；其二是工藝流程的優化，使整個過程更加節能高效。性能優異的吸附劑是吸附分離的基本條件，吸附劑的性能對PSA空分的效率有著決定性的影響。從分離工藝的角度來講，吸附過程主要包括原料氣預處理和特定組分的選擇性吸附。所用的吸附劑有空氣凈化吸附劑、N₂選擇型吸附劑、和Ar選擇型吸附劑，根據各組分物理性質的差異對其進行逐一分離。

在PSA空氣分離工藝流程中，空氣的凈化是進行氮氧分離的前提。使用分子篩作為氮氧分離的吸附劑時，空氣中的水蒸氣和CO₂等氣體雜質能強烈吸附于分子篩的孔道表面，并在吸附床層聚集，這會對分子篩的氮氧分離性能造成不利的影響，因此需要通過預處理除去空氣中的水蒸氣和CO₂等雜質氣體。商業化的通用吸附劑如硅膠和活性氧化鋁等因其比表面積大和再生容易等特點而常用于對原料氣進行預處理。此外，5A和13X分子篩以及金屬有機骨架材料(MOFs)也可用于對CO₂的吸附。

N₂和O₂都是非極性分子，其偶極矩都為零。但N₂分子的四極矩約為O₂分子的四倍，與制氧分子篩中的陽離子產生的電場梯度有較強的相互作用。當空氣通過制氧分子篩床層時，N₂被選擇性吸附，得到富氧氣體。CaA型分子篩是最早用于氧氮分離的材料，隨后人們發現X型分子篩的孔徑和孔容較大，因此Li-X型分子篩比CaA型分子篩在PSA空分制氧過程中更有可能發揮出優異的吸附分離性能。1992年，Baksh等^[31]研究發現Li⁺交換的X型分子篩比普通的13X分子篩具有更好的氮氧分離性能。X型分子篩晶體屬于立方晶系，具有FAU拓撲結構，骨架Si/Al越低，則骨架外的平衡陽離子越多，因此其對氮氣的吸附量越大。X型分子篩的最低Si/Al為1，稱為LSX，當前Li-LSX是氧氮分離性能最好的分子篩，被廣泛應用于PSA空分制氧。考慮到鋰鹽價格昂貴，為了降低Li⁺的用量，通常引入與鋰離子具有相似電荷密度的鈣離子以降低成本，CaLiLSX也成為一種常用的脫氮吸附劑。