锂交换 X 型分子筛（LiX）的氮氧分离性能研究

引言

氮气与氧气是应用最广泛的工业气体，覆盖医疗健康、冶金、化肥合成、食品保鲜等诸多领域。尽管二者在大气中储量丰富，但因动力学直径、沸点高度接近，难以低成本分离提纯。氮气动力学直径 3.64 Å，氧气为 3.46 Å，依靠尺寸筛分实现分离效率极低；二者沸点也十分接近（氮气 77 K、氧气 90 K），传统低温精馏工艺能耗高、运营成本昂贵。为突破上述局限，行业研发了基于吸附原理的新型分离技术。商用锂交换 X 型分子筛（LiX）利用氮气分子强四极矩特性，可优先选择性吸附氮气，且整套分离工艺可在常温附近完成，大幅降低生产成本。

本研究采用马尔文帕纳科AccuSorp HP 高压容量法气体吸附仪，分别在 15 ℃、25 ℃、35 ℃条件下采集 LiX 分子筛的氮气、氧气吸附等温线，测试最高压力 10 bar；基于等温线数据计算吸附等量焓，并借助设备配套 MicroActive数据处理软件内置的理想吸附溶液理论（IAST），评估材料对氮气 / 氧气的吸附选择性。

实验部分

本实验使用 AccuSorp HP 高压吸附仪采集 LiX 分子筛的氮气、氧气吸附等温线，设置 15 ℃、25 ℃、35 ℃三组测试温度，最高测试压力 10 bar。氧气测试压力上限限定 10 bar 出于安全考量：高压、高氧浓度环境下，不锈钢管路存在燃烧风险；氮气无此安全限制，同等温度下可加压至 200 bar 完成测试。

样品预处理：LiX 分子筛先通过 VacPrep 前处理脱气站，300 ℃高温脱气 8 h，脱气完成后转移至 AccuSorp HP 主机进行吸附测试；样品池采用 2 ml 不锈钢腔体。配套恒温循环浴系统控温，分别稳定至 15 ℃/25 ℃/35 ℃；高压工况下氮气、氧气均偏离理想气体状态方程，实验全程采用空白校正以精准计算吸附量。

吸附质气体	氮气 / 氧气
分析温度	298.15 K（25 ℃）
自由空间校准方式	测试前实测
控温设备	低热电制冷杜瓦
绝对压力公差	5 mbar
相对压力公差	5%
最小平衡时间	60 s
最大平衡时间	99999 s
压力增量（bar）	平衡时间（s）	结束压力（bar）
0.01	60	0.02
0.02	60	0.04
0.04	60	0.08
0.02	60	0.1
0.05	60	0.2
0.2	60	1
1	60	10

表1 氮氧吸附分析测试条件

结果与讨论

氮气、氧气吸附等温线

使用 AccuSorp HP 采集 15 ℃、25 ℃、35 ℃、最高 10 bar 压力下 LiX 分子筛的氮气、氧气吸附等温线，见图 1、图 2。

图1 LiX 分子筛在 15 ℃、25 ℃、35 ℃下的氮气吸附等温线

图2 LiX 分子筛在 15 ℃、25 ℃、35 ℃下的氧气吸附等温线

实验结果显示：常温条件下 LiX 对氮气吸附能力极强，1 bar 压力下吸附容量约 1 mmol/g，10 bar 压力下吸附量超 2.5 mmol/g。氮气吸附驱动力来源于氮气四极矩与分子筛内锂离子之间的强相互作用。相比之下，LiX 对氧气吸附作用微弱：1 bar 压力下吸附容量仅 0.2 mmol/g；三种测试温度下，10 bar 压力时氧气吸附容量仅 1.1~1.4 mmol/g。

吸附焓

利用 MicroActive 数据软件解析等温线数据，得到氮气、氧气在 LiX 表面的吸附焓。吸附焓代表气体分子吸附至材料表面释放的能量，数值越高，分子与材料相互作用越强。与预期一致：LiX 对氮气吸附容量远高于氧气，对应吸附焓也显著更高。氮气趋于零覆盖度下吸附焓超过 25 kJ/mol，且随吸附覆盖度升高持续下降；氧气吸附焓在全部覆盖度区间基本恒定，约 14 kJ/mol（见图 3）。

图 3：氮气（左）、氧气（右）在 LiX 分子筛上的吸附焓曲线

理想吸附溶液理论（IAST）选择性计算

理想吸附溶液理论（IAST，Myers & Prausnitz，1965，《AIChE Journal》）可通过单组分吸附等温线数据，预测多组分混合气体吸附行为。本研究借助 MicroActive 内置 IAST 模块，基于 AccuSorp HP 测得的单组分数据，计算 LiX 分子筛的氮氧吸附选择性。计算结果表明：氮氧选择性随温度升高、混合气中氮气摩尔占比升高而下降（见图 4）。15 ℃、低氮气浓度工况下，氮 / 氧吸附选择性约 20；混合气氮气占比升高后，选择性降至略大于10。三组测试温度均呈现相同变化规律，其中 15 ℃条件下整体选择性最优。

图 4：15 ℃（上图）、25 ℃（中图）、35 ℃（下图）下 LiX 分子筛氮气（组分 1）/ 氧气（组分 2）吸附选择性；横坐标为气相氮气摩尔分数

结论

本研究采用 AccuSorp HP 高压容量法气体吸附仪，在 10 bar 压力上限、15/25/35 ℃三种温度下完成 LiX 锂交换 X分子筛的氮氧高压吸附等温线测试；依托设备配套分析模块，完成吸附等量焓计算与 IAST 理想吸附溶液理论选择性模拟。

实测数据证实：常温环境下 LiX 分子筛具备优异的氮气优先吸附分离性能，15 ℃、10 bar 工况下氮气饱和吸附容量可达 3 mmol/g。本应用案例充分展现 AccuSorp HP 高压吸附仪对多孔材料高压吸附表征的完整测试能力，同时说明 MicroActive 软件可实现等温线、吸附焓、多组分选择性全套数据深度解析。