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我国煤层气储量丰富,但由于煤层气分布广泛、地质因素复杂和开采技术的限制,造成大部分煤层气以低浓度煤层气的形式直接排空,既使大量的资源浪费又造成了严重的温室效应,所以从低浓度煤层气中回收和富集CH4作为天然气的补充来源,具有回收资源和降低温室气体排放的双重意义。由于低浓度煤层气中混入空气,大量存在的N2致使其利用难度较大,因此,需要高效且经济的CH4/N2分离工艺来实现低浓度煤层气中CH4的回收和富集。变压吸附分离技术（PSA）由于具有开停车方便、自动化程度高、能耗低等优点,在气体分离领域显示出了巨大的竞争优势,其高效运行的关键在于高性能吸附剂的开发。分子筛具有优异的热稳定性和化学稳定性、孔径可调、环保和易于再生等特点,是工业上最成功的吸附剂材料之一,并且其仍处于快速的发展中。本课题组在针对CH4/N2分离的研究中发现,电中性骨架结构的纯硅ZSM-5分子筛不具有平衡阳离子,可以降低与N2的四极矩作用,因此表现出比传统低硅分子筛吸附剂更高的CH4/N2吸附选择性。电中性骨架结构分子筛除纯硅分子筛外,还包括纯硅分子筛的等电子类似物——磷酸铝盐（Al PO）分子筛和三价杂原子同晶取代的杂原子磷酸铝盐（Me Al PO）分子筛。本文研究了上述三类具有电中性骨架结构的分子筛吸附剂的CH4和N2吸附分离性能:其中,ZSM-11分子筛与ZSM-5分子筛具有相似的骨架及孔道结构,因此具有电中性骨架结构的纯硅ZSM-11分子筛同样具有成为高CH4/N2吸附选择性吸附剂的潜力;Al PO分子筛对于CH4/N2吸附分离的研究鲜有报道,基于CH4分子3.8?的动力学直径,选用Al PO4-17、Al PO4-18、Al PO4-33和Ui O-7四种八元环小孔沸石;对于第三类电中性骨架结构的Me Al PO分子筛,在Al PO4-33中掺杂不同的金属杂原子以改变其孔道内部微环境,进而增强所吸附气体与分子筛骨架间的相互作用,以期提高其CH4/N2的吸附分离性能。主要研究内容和结论包括以下三部分:（1）控制合成凝胶中的Si/Al,水热法合成Si/Al分别为40、100、200、500的ZSM-11分子筛。通过粉末X射线衍射（PXRD）、77 K@N2吸脱附测试、热重分析和ICP-OES测试对样品进行基本表征,分析了ZSM-11分子筛的结构及物化性质,对不同Si/Al的ZSM-11分子筛样品进行了CH4和N2单组份气体吸附测试。实验结果发现CH4和N2的吸附容量随Si/Al比的增大而降低,用理想吸附溶液理论（IAST）计算的CH4/N2平衡选择性随Si/Al比的增大基本保持不变,均在3.7以上,优于商业分子筛吸附剂水平。我们推断随着硅铝比的增大,平衡阳离子含量减少,分子筛与CH4和N2的作用力也逐渐降低,因此气体吸附量也逐渐减小,对于ZSM-11分子筛其选择性并未随硅铝比的增大得到提高,但综合选择性及吸附容量来看该分子筛具有优良的CH4/N2分离能力。（2）采用水热法合成了Al PO4-17、Al PO4-18、Al PO4-33和Ui O-7四种电中性骨架结构磷酸铝盐（Al PO）分子筛,通过PXRD、场发射扫描电镜（SEM）、77 K@N2吸脱附测试、热重分析测试对样品的基本表征分析了四种Al PO分子筛的结构及物化性质,并对其CH4/N2吸附分离性能进行了研究。实验结果表明,拓扑结构为ZON的Ui O-7具有最低的BET表面积,但对CH4的吸附量最高,为0.82 mmol/g,吸附选择性最高,分别为4.5（50:50,v/v）和4.7（20:80,v/v）。四种Al PO材料（Al PO4-18:5.6?,Al PO4-17:6.9?,Ui O-7:7.7?,Al PO4-33:8.8?）的吸附量和吸附选择性均随平均孔径的增大先增大后减小,当孔径达到CH4动力学直径的二倍时达到峰值。并通过GCMC模拟证明,具有孔径二倍于CH4动力学直径的Ui O-7,对应的孔隙微环境对CH4具有最强的相互作用,这就是为什么Ui O-7具有最高的CH4选择性和吸附量的原因。混合气穿透实验和PSA模拟进一步证明,Ui O-7可以作为实际工业上的CH4/N2吸附分离吸附剂,是所研究Al PO分子筛中的最佳选择。（3）合成了Ni、Cu、Cr、Eu和Ga五种杂原子掺杂的Al PO4-33分子筛（Me Al PO4-33）,通过PXRD、77 K@N2吸脱附测试、热重分析测试对样品进行了基本的表征,分析了Me Al PO4-33分子筛的结构及物化性质,并研究了杂原子掺杂对纯磷酸铝盐分子筛CH4和N2吸附性能的影响。实验结果发现在298 K与1 bar条件下,Ga杂原子的掺杂使Al PO4-33的CH4吸附量提高了9%,由0.75 mmol/g提升至0.82 mmol/g,选择性略有提高,由3.86提升至3.93。吸附热计算表明,杂原子的引入导致了吸附热的提高,改变了分子筛孔道与气体分子间的相互作用力。研究结果表明,同晶取代杂原子掺杂可有效调节分子筛孔道内部微环境,从而影响磷酸铝分子筛CH4和N2的吸附性能,Ga这种杂原子的引入对其气体吸附性能有积极的影响,是提高分子筛CH4吸附容量一种可行的手段。