活性炭结构改性、表征及煤井甲烷提浓的应用研究

• 作 者: 赵国锋
• 发表日期: 2008年期
• 关键词: 煤层气 煤井甲烷 吸附提浓 活性炭 表面改性 孔道结构改性

活性炭是一种很重要的吸附剂和催化剂载体,由于其特殊的孔道结构和表面化学性质,广泛应用于吸附分离,能量存储,催化反应,环境治理等领域。近十几年来,人们陆续开发了一系列孔道结构发达、表面积高、孔径分布合理的超级活性炭,使得活性炭的制备、表征和应用有了很大进步。煤井甲烷是天然气的另一种存在形式,是高效的燃料和化工原料。但是由于大量煤井甲烷气的浓度很低,无法得到有效利用。随着人们对能源需求量的增加和对环保意识的增强,煤井甲烷的回收也变得日益重要。活性炭对煤井甲烷的提浓性能主要受其孔道结构和表面化学性质的影响,因此本论文对活性炭进行一系列的氧化改性、热处理、表面改性以调变其孔道结构和表面化学性质。研究发现,通过硝酸和双氧水对活性炭进行氧化改性,在其孔道结构无明显变化的情况下,可以引入大量酸性官能团;氧化之后的活性炭样品在氮气气氛下,经过热处理可以除去大量酸性官能团,并引入含氮碱性官能团,同时其孔道结构也有明显的改变;在氢气气氛下对活性炭进行还原改性可以除去酸性官能团,改变其孔道结构;在氮气、氨气气氛下对活性炭进行高温热处理,一方面可以引入含氮碱性官能团,另一方面可以改变其孔道结构。在自制的简易变压吸附装置上对活性炭改性样品进行评价。将实验结果同活性炭的比表面积或孔容、孔径分布、表面化学性质等进行关联发现,比表面积或孔容、孔径分布、表面化学性质对活性炭的甲烷提浓性能有不同程度的影响。当吸附压力为3atm,甲烷初始浓度为25%时,活性炭的最佳孔径分布为0.75~0.77nm;高的比表面积和孔容有利于甲烷的提浓;对活性炭进行适当的表面改性可在一定程度上提高活性炭的提浓性能。