煤层气是一种高品质的气体燃料，具有相当大的实用价值。开发利用煤层气对于充分利用能源，改善能源结构，减少煤矿瓦斯灾害，保护大气环境都有极为重要的意义。然而目前煤层气资源未得到充分利用，这主要是由于煤层气中含有高浓度的非可燃性气体，主要是N2和CO2。一般通过抽放气法开采得到的煤层气中甲烷浓度在20% ~ 45%，而管道输送一般要求甲烷浓度高于90％。抽放煤层气无法满足管道输送的最小热值要求。
煤层气甲烷富集的核心问题就是CH4/N2分离，这同时也是最困难的问题。低温精馏法是传统的工业化CH4/N2分离技术，具有技术成熟、产品气浓度高、回收率高等优点。但该技术需在低温下进行，能耗高，适于处理CH4浓度较高的煤层气，若煤层气中甲烷浓度低于50%，则在技术经济上不占明显优势，同时由于基础投资巨大，经济运行量高，不适于中小型煤矿的煤层气浓缩处理。膜分离技术具有工艺简单、操作方便等优点，但分离效果对制膜技术的依赖性强，同时存在膜的使用寿命短、易淤塞等不足，目前尚不处于大规模应用阶段。变压吸附（Pressure Swing Adsorption, PSA）法能够在常温和不高的压力下分离气体混合物，能耗低，设备简单，吸附剂使用寿命长，自动化程度高，因此在空气分离和石油气分离中，往往作为革新技术取代低温精馏。
MOFs是一种典型的微孔材料，同传统的吸附材料相比因其具有孔隙率高、孔结构可控、比表面积大、化学性质稳定等优点，所以广泛应用在储气、分离、催化、传感和药物控释等方面。MOFs材料很容易制备，同时MOFs材料的具有相对较高的合成产量，这使得MOFS材料具有很大的商业化价值[9-10]。MIL-101作为是MOFs材料的典型代表之一，因其大的比表面积，高结晶度和可以调控的有序孔道结构，水热稳定性好，已成为MOFs材料研究领域的一个热点。目前人们正在尝试将MIL系列材料应用于某些气体的吸附和分离，某些多相催化反应等许多方面，并取得了一定的效果[11-13]。本研究采用MIL-101作为CH4/N2分离的高效吸附剂。
对于含有CO2煤层气的浓缩通常都是分两步进行，首先采用吸附法或吸收法脱除其中的CO2，然后再进行变压吸附浓缩，如何改进工艺、降低投资、提高回收率是今后研究的重点。 |