活性炭纤维吸附剂在矿井瓦斯中的选型与改性设计

赵佳

摘 要：笔者主要研究了煤矿当中瓦斯富集分离吸附剂，对当前市场中出售的五种活性炭纤维吸附剂进行了对比，研究了在293K时，关于甲烷和氮气的变压吸附情况，对五种吸附剂的吸附能力和分离因子进行了对比，应用了一种效果最好的吸附剂同时对其进行氨水浸渍改性实验，以求得到最好的改性条件。研究结果得到：最好的改性材料是紫川炭纤维，这种材料不同于传统意义上的活性炭纤维，在利用氨水改性后，其孔容和表面积有效增大，提高了吸附甲烷的能力，如果活性炭纤维利用浓度为5mol/L的氨水进行改性，则会收到更好的效果，分离系数可以达到5.32。

关键词：吸附剂；瓦斯；活性炭纤维；吸附等温线；分离因子

在煤炭开采过程中，会出现大量的瓦斯气体并排放到空气当中。而这些瓦斯气体中含有丰富的甲烷，这是一种高质量的气态燃料和化工原料，而且还需注意的是，这些甲烷会产生严重的温室效应，是二氧化碳的21倍，同时也会破坏大气臭氧层，是二氧化碳的7倍，因此 如果将甲烷排放到空气中，不但浪费了大量的资源而且也形成了严重的空气污染。所以回收瓦斯气体中的甲烷具有非常重要的经济价值和社会价值。利用变压吸附技术可以有效回收甲烷，同时也得到了世界发达国家的大力重视，都致力于研究开发各种吸附剂。活性炭纤维是一种最近出现的吸附材料，最明显的优点就是拥有最大的比表面积和丰富的微孔，微孔体积能够占到总体积的90%以上，而且这些微孔位于纤维的表面有着非常小的直径，有着最大的吸附容量和吸附效率，而且也容易做到脱附。利用一定的含氮化合物浸泡活性炭纤维，那么活性炭纤维的性质就会改变，含氮量增加，而吸附能力更强。存在于活性炭纤维表面的化学物质不利于吸附污染物，当前还没有出现研究炭材料吸附分离煤矿瓦斯性能的研究。所以，本文主要针对甲烷和氮气等污染物，在改性活性炭纤维时主要利用氨水，同时测试了改性后的吸附效果，有利于今后研究开发新型吸附剂。

1 实验

1.1 试剂与仪器

笔者在实验中选择了纯甲烷气体，纯氮气和氨水。北京扬子商贸有限公司生产；紫川炭纤维1，紫川炭纤维2，生产厂家为秦皇岛紫川炭纤维公司；森鑫炭纤维1，森鑫炭纤维2，森鑫炭纤维3，厂地都为鞍山；变压吸附仪 ASAP2050，全自动比表面及微孔吸附仪 2020，产地都为美国。

1.2 改性吸附剂的制备

1.2.1 氨水浸渍

利用仪器量取2 g的紫川炭纤维1，将其放在100 m L 2，4，5，6，8 mol/L的氨水溶液中，在常温下放置，时间限制为一天，然后利用去离子水对其进行过滤，最后把这种活性炭纤维放入干燥箱中，利用353K进行烘干，就得到了改性后的活性炭纤维，可以将其认定为活性炭纤维2，活性炭纤维4，活性炭纤维5，活性炭纤维6，活性炭纤维8。

1.2.2 再利用仪器称量2 g紫川炭纤维1

将其放入浓度为100 m L 5 mol/L 的氨水溶液中，利用超声波仪器进行处理，设定温度为20度，制作频率控制在50 和 90 k Hz，利用这种设备处理一天半，还不能取出，再继续用此溶液泡二天，再利用离子水过滤，最后把这种物质放入干燥箱中，利用353 K对其烘干，也就能得到具有不同频率的超声波改性的活性炭纤维，可以标记为活性炭纤维9，活性炭纤维10。

1.2.3接着利用仪器称量2 g紫川炭纤维1

将它放入浓度为100 m L 5 mol/L 的氨水溶液中，全部置入耐温瓶中，一同放入烘箱中利用80 和 200 ℃进行浸泡，时间限定为十天，然后放入室温下继续泡十四天，利用去离子水进行过滤，最后把其放入干燥箱中，利用353 K进行烘干，可以标记为活性炭纤维11，CF12。

1.2.4實验测试及原理变压吸附量

在666. 6 Pa 真空条件下，利用美国生产的变压吸附仪，将其放入150 ℃的环境中脱气四天，再利用各种仪器测量甲烷氮气的吸附量，最后利用计算机处理所得数据。比表面积和孔容：使用美国生产的物理吸附仪，在低温条件下利用氮气吸附法测量氮气吸附等温线，最后利用计算机进行处理。测试原理是容量法，指的是利用一定的温度和测量手段，依据一定质量的吸附剂接触前气体的压力和体积来得到吸附气体的数量。

2 试验结果及分析

2. 1 活性炭纤维 原样变压吸附

五种活性炭纤维吸附甲烷的能力都要比氮气的吸附能力强，这是由于在常温和低压力，主要是利用了物理吸附原理。而且由于甲烷的极化率比氮气的极化率要高，因此甲烷吸附剂的作用比氮气吸附剂的作用要大得多，导致形成的结果就是甲烷首先被吸附。而且还需注意的是，活性炭纤维吸附甲烷和氮气的数量随压力的改变而改变，压力越大则能力越强。

活性炭纤维有着大量的微孔，压力不高时，吸附容量增加，压力增大时，吸附能力下降，这一实验结果表明活性炭纤维主要依靠微孔而且孔径分布也集中。

其中，紫川炭纤维1和森鑫炭纤维1在吸附甲烷时表现最好，森鑫炭纤维1吸附氮气的量表现为最大，紫川炭纤维1吸附氮气的数量比不上森鑫炭纤维1，因此可以最好的作用于甲烷和氮气的分离因子，在159.6kPa时达到了5.23。紫川炭纤维2虽然拥有较大的分离系数，但在吸附甲烷和氮气时表现不好。森鑫炭纤维2 和森鑫炭纤维3吸附甲烷和氮气的数量都不多，不具备较高的分离系数。总之，以分离系数高和吸附量大为标准，应该将紫川炭纤维1作为最佳的活性炭纤维，应该对其进行改性。研究吸附剂的改性，在本文中具有非常重要的地位。

通常情况下，比表面积和孔径分布都会影响到吸附量的大小，随着比表面积的增大则吸附量也增大，依据实验效果可以得到，比表面积森鑫炭纤维1<森鑫炭纤维2<森鑫炭纤维3<紫川炭纤维1<紫川炭纤维2，但是对甲烷和氮气的吸附量都是 森鑫炭纤维1>森鑫炭纤维2>森鑫炭纤维3，紫川炭纤维1>紫川炭纤维2，由于孔径的大小也会进一步影响到吸附量，依据有关文献表明，孔径的大小对活性炭是否具有吸附甲烷的性能具有决定性影响，微孔比表面积则居于第二位。

2.2 氨水常温常规浸渍变压吸附

自上面的实验结果可以发现，应用不同浓度的氨水对紫川炭纤维1进行浸泡，可以得到拥有不同吸附甲烷和氮气的能力，与原始活性炭纤维对比，利用氨水浸泡紫川炭纤维1后，可以加大其吸附甲烷和氮气的数量，这是由于氨水属于碱性溶液，利用氨水对其进行浸泡，存在于活性炭纤维表面的酸性基因可以与氨水发生化学反应，利用洗涤和干燥法消除后，可以导致其表面的酸性降低，碱性增强。

随着氨水浓度越来越大，其吸附量也会发生相应的变化，先出现增大后出现减少，5mol/L时，具有最大的吸附量，159.6kPa时，吸附甲烷的数量只能达到41.05cm3/g，增加率大大下降，吸附氮气的最大数量为14.16cm3/g，增加率则有所提高，同时分离系数也有所增加达到了5.32。

根据实验结果得到，与原始活性炭纤维对比，在利用氨水浸泡后的紫川炭纤维1，其比表面积有所增大，氨水浓度越来越高，比表面积先增大则后减小，5mol/L时，比表面积最大，增加率达到了12.13%。

甲烷和氮气的分子直径不同，动力学直径一般情况下为：0.382，0.364nm，因此可以表明，活性炭纤维在吸附甲烷时应该有最为合适的孔径，活性炭的最优孔径是甲烷分子直径的二倍，也就是0.76～1.00 nm。

吸附剂的细孔主要可以分为三种情况：小于2nm的微孔，在2～50nm的中孔，大于 50 nm 的大孔。由这些数据可以发现，微孔是吸附甲烷的最佳孔径。

2.3 氨水超声或热浸渍变压吸附

依据上面的实验结果可以发现，利用氨水超声或高温对活性炭纤维进行处理后，增强了吸附甲烷和氮气的能力，但还是不能与常温浸渍相比。

利用超声波进行处理，液体会产生空化现象，这时则会出现局部高温和高压、发光、冲击波和微射流等，导致溶液的粘度下降，增加了有效扩散系数，大量的浸渍液进行毛细孔，会使浸液速度加快。结果表明，利用超声浸渍处理得到的吸附效果不能与常规浸渍相比，主要原因是由于利用超声波处理的活性炭纤维中孔的比例大大增加，而且如果超声波的功率不大则会导致活性炭孔隙中孔的大量增加。如果微孔扩大为中孔，那么就会导致活性炭纤维吸附甲烷和氮气的能力下降。

活性炭纤维5 和 活性炭纤维11进行二二对比可以发现，除了二者的浸渍温度存在区别外，浓度和处理方法都相同，但利用20 ℃进行处理和利用80 ℃进行处理得到的效果却不同，这是由于利用20 ℃进行处理可以使物理吸附效果达到最佳，而利用80 ℃进行处理，物理吸附作用明显下降，化学吸附收不到应有的效果，那么整体情况不能与20度相比。

3 结语

五种活性炭纤维吸附甲烷的数量比氮气的数量要大，而且吸附甲烷和氮气的数量与压力有一定的关系，压力越高则吸附效果越明显。

紫川炭纤维1吸附甲烷的效果最好，而且吸附氮气的数量也很大，关于甲烷和氮气的分离因子最大，159. 6 k Pa时突破了 5. 23。因此这是一种改性的最好材料。

利用浓度不同的氨水进行改性，无论是活性炭纤维的比表面积还是吸附甲烷和氮气的能力都会增大，利用5 mol/L 氨水改性的活性炭纤维具有最大的吸附量，而且分离系数也最高，微孔孔容和比表面积也逐步增加，达到最好的吸附甲烷的效果。

进行物理吸附最好在低温下进行，因此，利用高温浸渍在改性吸附剂时收不到较好的效果。

超声波可以产生较多的中孔，利用氨水超声波浸渍活性炭纤维后不能与常规浸渍相比，如果对其改性成本进行研究，则利用常规浸渍则是最好的选择。

参考文献：

[1] 刘向军，刘应书，李永玲，等.煤矿乏风瓦斯变压吸附分离特性[J].北京科技大学学报.2012（12）：1437-1444.

[2] 李子文，林柏泉，郝志勇，等.煤体孔径分布特征及其对瓦斯吸附的影响[J].中国矿业大学学报.2013（06）：1047-1053.

[3] 董洁，吴边华.浅谈活性炭的改性及其应用[J].煤质技术.2008（04）：51-53.

[4] 高立新，李宁宁，黄志鹏，等.活性炭的改性及吸附性能[J].上海電力学院学报.2009（05）：504-508.

[5] 李小明，曹代勇.不同变质类型煤的结构演化特征及其地质意义[J].中国矿业大学学报.2012（01）：74-81.

[6] 吴爱军，蒋承林.煤与瓦斯突出冲击波传播规律研究[J].中国矿业大学学报.2011（06）：852-857.

[7] 马晓钟.煤矿瓦斯综合利用技术的探索与实践[J].中国煤层气.2007（03）：28-31.

[8] 杨胜科，徐永花，邓晓铌.海泡石的有机化改性及其对曙红Y的吸附行为研究[J].工业水处理.2008（03）：27-30.

[9] 崔春月，马东，郑庆柱.Fenton改性多壁碳纳米管对亚甲基蓝的吸附性能研究[J].中国环境科学.2011（12）：1972-1976.

[10] 焦新亭，李晓东，刘国文，等.碳纳米管对亚甲基蓝的吸附性能研究[J].安全与环境学报.2007（03）：44-47.

[11] 余协瑜，贾云.吸附法处理工业废水研究最新进展[J].表面技术.2004（03）：11-13.