煤改制活性炭及表面改性对甲烷吸附的影响

【摘要】：煤的化学物理结构非常复杂,使得开展煤体吸附甲烷行为研究异常困难,构造煤由于自身特殊物理、化学结构,更导致吸附性能与原生结构煤之间存在较大差异。煤基活性炭与煤体具有相似的微观结构,孔隙与表面化学性质都比较接近,可以作为简便模型用于探究煤体对甲烷的吸附行为。通过合理条件设置,对制备好的活性炭进行氧化改性,改造活性炭表面的孔隙与官能团的组成,从而引起甲烷吸附行为的变化。本文利用KOH作为活化剂,采用化学活化法将原生结构煤与共生构造煤制备成结构类型具有一定差异的煤基活性炭,并在此基础上采用硝氧化改性、浓硫酸-过硫酸铵联合改性的方法对煤基活性炭进行氧化改性,通过多种物理、化学表征方法获取了煤、煤基系列活性炭的表面物理、化学特性:(1)采用压汞置换试验测定煤样孔隙结构参数,表明原生结构煤孔隙类型主要以开放孔为主,构造煤则存在有细颈瓶孔,且连通性较差。(2)低温液氮吸附试验表明原煤样品的氮气吸附等温线属于第Ⅱ类型,证明构造煤与原生结构煤中都含有较连续的完整孔系统,其中构造煤亚微孔隙发育,是比表面积增加的主要贡献者;不同类型煤基活性炭的氮气等温吸附线均属于I型;比表面积测定表明硝酸氧化处理打通了煤体内封闭的微孔,使得煤基活性炭比表面积和孔容大幅增加;浓硫酸-过硫酸铵联合改性受液体强氧化性的影响,活性炭表面孔壁被过度烧灼,部分微孔结构发生了坍塌或堵塞,导致微孔体积下降明显,表面积和总孔容均有降低。(3)红外光谱测定结果表明,改性后的各类煤基活性炭表面含氧官能团数量增加明显,主要以羰基、羧基、内酯基为主;Boehm滴定与X射线光电子能谱分析法(XPS)测定结果印证了红外光谱测定结果,增加量为羧基内酯基酚羟基;改性前构造煤改制活性炭(HXD)表面含氧官能团数量均较原生结构煤改制活性炭(HXN)低,改性后构造煤基改性活性炭(HXD-O、HXD-S)表面官能团数量又高于原生结构煤基改性活性炭(HXN-O、HXN-S),这是因为构造煤P8D由于微裂隙和孔隙结构发育,活化剂KOH与构造煤表面广泛接触,反应较充分,过多的消耗了构造煤表面的酸性含氧官能团,而硝氧化改性、浓硫酸-过硫酸铵改性时,也因为同样的原因,构造煤基活性炭表面引入了相对较多的酸性官能团。开展了煤与煤基活性炭的甲烷吸附实验,构造煤由于微孔发育、比表面积大,并且在改制活性炭与后续氧化处理过程中,构造煤基活性炭始终保持了该特性,而甲烷吸附量都较原生结构煤基活性炭要多,由此认为比表面积与孔隙结构对甲烷吸附的影响是基础性的,决定了甲烷吸附容量:孔隙结构发育、比表面积大则吸附能力强。氧化改性对煤基活性炭甲烷吸附行为有明显抑制作用。硝酸改性对煤基系列活性炭有疏孔、扩孔的作用,改性后比表面积与孔容都有明显的增加,但甲烷吸附量却下降;虽然浓硫酸-过硫酸铵改性后煤基系列活性炭的甲烷吸附量也明显下降,但这是因为浓硫酸-过硫酸铵溶液的强氧化性腐蚀了HXN、HXD的孔壁,在增加了表面含氧官能团含量的同时又降低了比表面积与孔容,两方面的影响强化了对甲烷吸附的抑制作用。所以,硝酸与浓硫酸-过硫酸铵溶液不仅对活性炭孔隙结构进行了改造,也影响表面的含氧官能团种类与数量变化,该变化对甲烷吸附起到了抑制作用,并且这种抑制作用要强于孔隙结构增加对甲烷吸附能力的促进作用。煤与煤基活性炭在表面结构与化学性质方面有相似之处,将煤基活性炭作为煤的简化模型,上述结论可以适用于结构相对复杂的煤上,对研究煤表面孔隙结构与含氧官能团对甲烷吸附行为影响有指导意义。 【关键词】：煤基活性炭 改性 结构表征 甲烷吸附
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ424.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-20
• 1.1 问题提出12-13
• 1.2 国内外研究现状分析13-18
• 1.2.1 煤结构与甲烷吸附特性的研究13-15
• 1.2.2 构造煤分子结构研究现状15-16
• 1.2.3 煤基活性炭制备及改性研究现状16-18
• 1.3 本文的研究目的及主要研究内容18-20
• 1.3.1 本文研究的目的18
• 1.3.2 本文研究的内容18-19
• 1.3.3 本文的创新点19-20
• 2 煤基活性炭制备与改性20-28
• 2.1 煤样选取及活性炭制备20-24
• 2.1.1 煤样采集与基本参数测定20-22
• 2.1.2 煤基活性炭制备基本工艺22-23
• 2.1.3 煤基活性炭制备设备及活性炭制备23-24
• 2.2 煤基活性炭的改性24-25
• 2.2.1 实验原料及设备24-25
• 2.2.2 实验方法25
• 2.3 小结25-28
• 3 煤与煤基活性炭的表征28-44
• 3.1 煤与煤基活性炭孔隙结构表征29-36
• 3.1.1 低温氮吸附法测定煤与煤基活性炭孔隙结构29
• 3.1.2 实验装置介绍29-30
• 3.1.3 低温氮气吸附等温曲线30-36
• 3.2 煤与煤基活性炭酸性含氧官能团表征36-42
• 3.2.1 煤与煤基活性炭红外测定36-38
• 3.2.2 煤基活性炭Boehm滴定38-39
• 3.2.3 煤与煤基活性炭X射线光电子能谱分析39-42
• 3.3 小结42-44
• 4 煤与煤基活性炭甲烷吸附性能及分析44-60
• 4.1 煤与煤基活性炭的甲烷吸附规律探讨44-47
• 4.1.1 吸附理论44-46
• 4.1.2 构造煤甲烷吸附特性46
• 4.1.3 煤基活性炭甲烷吸附特性46-47
• 4.2 煤与煤基活性炭的甲烷吸附实验47-52
• 4.2.1 样品制备47
• 4.2.2 实验仪器与设备47-48
• 4.2.3 吸附槽自由空间体积的确定48-49
• 4.2.4 吸附等温曲线的测定49-52
• 4.3 甲烷吸附实验结果分析52-58
• 4.3.1 孔隙结构对甲烷吸附的影响52-57
• 4.3.2 含氧官能团对吸附的影响57-58
• 4.4 小结58-60
• 5 结论与展望60-62
• 5.1 结论60
• 5.2 展望60-62
• 参考文献62-68
• 作者简历68-70
• 学位论文数据集70

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