变压吸附技术(PSA)被认为是一种用于气体净化和混合气体的分离非常有前景的工业方法。本论文围绕CH4/N2、N2/O2体系的变压吸附开展了相关研究。通过动力学或热力学平衡过程,实现气体的分离。通过实验获得了混合气体中不同组分的吸附等温线,基于等温线参数、质量传递系数和吸附剂的物理性质构建了变压吸附模型,并提出了新的变压吸附系统设计方法。鉴于变压吸附分离过程的复杂性,以甲烷/氮气、空气分离为分离体系,进行了真空变压吸附(VPSA)和快速变压吸附(RPSA)系统的实验和过程模拟。取得如下创新性研究成果: 1)空气的混入是煤层气利用的难点之一。由于甲烷和氮气的物理性质相近,使得分离过程更加复杂。为此,本论文开发了一种基于喹啉-5-羧酸(Qc)配体、热稳定的微孔金属-有机框架材料(MOFs),以实现CH4与N2的高效分离。并在1bar、298K条件下,测定了其CH4与N2的吸附等温线。实验结果表明甲烷的最大吸附量为1.3mmol/g。同时,实验测定了MOFs材料的动态穿透曲线。与其他MOFs相比,Ni-Qc-5在0.2bar下表现出较低的吸附能和较高的选择性。最后,采用密度泛函理论模拟(DFT)结果阐明了具体的CH4吸附位点与结合能。 2)基于所开发的具备优良CH4/N2吸附分离性能的[Cu(INA)2]MOF吸附剂,研究不同温度(288K、298K和308K)、1bar条件下,CH4、N2和O2的吸附容量和分离性能。实验测定了单组分和多组分气体的穿透曲线。基于构建的线性驱动力模型来获得吸附过程的传质系数。设计四床层VPSA吸附工艺,以最大甲烷回收率为优化目标,采用吸附平衡和动力学参数对气体流量、吸附时间、吸附压力和脱附压力进行了优化。实验结果表明,在最优操作条件下,四床层VPSA吸附工艺的CH4回收率达到90%,纯度达50%。 3)此外,本论文系统研究了Li-LSX、Na-LSX和K-LSX等不同分子筛上N2和O2的吸附等温线。实验结果表明,Li-LSX具有最大的N2吸附容量;针对不同粒径沸石吸附剂进行动态穿透实验以测定其吸附动力学和经验传质系数。结果表明,线性驱动力模型能够很好地预测分子筛的吸附和分离性能。本论文的研究基于便携式供氧系统的RPSA工艺,通过工艺参数优化,在最优低吸附床尺寸系数(BSF,78Kg/TPDs)条件下实现了连续高浓度O2(90-95%)和高通量(4.7mmol.kg-1.s-1)供给。 4)最后,本论文研究了CO2低浓捕集过程。从空气中直接捕获CO2是应对气候变化挑战的一种可行方法,并受到了广泛关注。本项工作使用不同的胺基团(如APTES,APTMS和Diamine)接枝和键合不同介孔孔径的硅胶。在298K和1bar下测试了所有接枝硅胶样品的CO2吸附容量。与未键合的样品相比,Silica-APTES-W样品显示最高的CO2吸附容量(1.67mmol/g)。此外,胺基与CO2在0.02bar的低压下的相互作用更强,Silica-APTES-W的吸附容量较大,在298K时为1.2mmol/g。通过实验计算表明,Silica-APTES-W的CO2吸附热为23-37kJ/mol,证明胺基键合的硅胶材料对CO2的吸附是物理吸附。此外,采用2000ppm浓度的CO2/N2/O2混合物进行动态突破实验,结果表明,Silica-APTES-W的低浓CO2捕集最佳工作容量4.5ml/g,CO2脱附再生温度为383K。因此,Silica-APTES-W样品在实际应用中具有优异的直接空气捕获CO2捕获性能。