煤吸附研究現(xiàn)狀與展望

摘 要：煤的吸附與煤的氧化風(fēng)化、燃燒與自燃、礦井瓦斯含量等有直接關(guān)系。本文介紹了近年來(lái)關(guān)于煤吸附氣體以及液體的相關(guān)研究，并對(duì)于煤的吸附性的研究與應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：煤 吸附

中圖分類號(hào)：TD713文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X(2012)08(a)-0036-01煤是古植物遺體在膠凝化過(guò)程的最后全部?jī)瞿z填滿細(xì)胞腔，細(xì)胞結(jié)構(gòu)完全消失而成的鏡質(zhì)體。煤的表面積主要是內(nèi)表面積，因此煤是多孔固體，容易吸附水分、氣體分子等物質(zhì)。姚素平等人用原子力顯微鏡觀察煤的孔隙結(jié)構(gòu)[1]，結(jié)果表明煤的孔隙結(jié)構(gòu)呈圓形和橢圓形，主要為變質(zhì)氣孔和分子間的鏈間孔。由于煤炭的燃燒是非均相反應(yīng)，除空氣擴(kuò)散速度外，煤對(duì)空氣分子，尤其是氧分子的吸附力也是影響煤炭燃燒速度和達(dá)到的溫度的重要因素。除氧分子外，對(duì)甲烷等有機(jī)物的吸附也是煤的一種性質(zhì)，可以影響到不同煤種在礦藏中的瓦斯含量。對(duì)水分的吸附影響到煤的品質(zhì)以及在洗選過(guò)程中的耗水量，我們將從對(duì)氧氣、甲烷等氣體分子、水分以及其他物質(zhì)的吸附研究狀況來(lái)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來(lái)煤吸附研究進(jìn)行展望。

1 煤吸附性研究現(xiàn)狀

1.1 煤對(duì)氣體小分子的吸附

煤中含有大量芳香環(huán)，對(duì)氧氣的吸附可以分為環(huán)對(duì)煤的吸附和側(cè)基的吸附。鄧存寶等人的DFT研究表明，苯環(huán)對(duì)氧分子的吸附能為30.94kJ/mol，與側(cè)鏈氨基集團(tuán)的吸附能達(dá)到71.81kJ/mol，高于苯環(huán)本身對(duì)氧分子的吸附能，在煤炭自燃過(guò)程中起更重要的作用[2]，計(jì)算結(jié)果還表明煤的含硫側(cè)鏈對(duì)氧的吸附能可達(dá)601.93kJ/mol[3]，放出的熱對(duì)煤的自燃有很大幫助，因此煤種含硫量越高，自燃的危險(xiǎn)越大，與實(shí)際情況相同。除硫元素外，磷元素對(duì)煤吸附氧氣后放熱也很高[4]，可以達(dá)到606.09kJ/mol，由于磷含量遠(yuǎn)低于硫含量，因此在自燃的危害上要小于含硫量的影響。梁運(yùn)濤等人的研究表明[5]，煤吸附的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程分為活性吸附、變能吸附、趨勢(shì)化吸附階段，煤吸附活化能與覆蓋度之間存在對(duì)數(shù)關(guān)系，同時(shí)指出，煤炭自燃與吸氧速度相關(guān)。

煤對(duì)于甲烷等氣體分子的吸附會(huì)使煤炭的形成過(guò)程中蓄積大量可燃易爆氣體，俗稱瓦斯。崔永君的研究表明[6]，煤對(duì)甲烷的吸附量最大，對(duì)CO2和N2的吸附要比甲烷差得多，均為物理吸附，因此在礦井瓦斯中主要成分為甲烷。楊威等人指出溫度降低及壓力增大均能增加甲烷的吸附量[7]，而壓力越大，瓦斯在煤炭開采過(guò)程中突出的危險(xiǎn)性就越大。張群等人的實(shí)驗(yàn)研究證明，不同煤階煤對(duì)甲烷的吸附特征曲線相似，都是對(duì)數(shù)曲線形態(tài)[8]。降文萍等人用石墨（002）面模擬煤表面對(duì)甲烷的吸附，對(duì)CH4的吸附勢(shì)阱約4～9kJ/mol[9]。蘇現(xiàn)波等人對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣的研究表明對(duì)甲烷的吸附呈現(xiàn)出優(yōu)先吸附、滯后解吸的特點(diǎn)[10]，并且煤對(duì)13CH4的吸附該特點(diǎn)更明顯。降文萍等人對(duì)煤炭吸附甲烷和CO2的計(jì)算研究表明煤階越高，吸附越強(qiáng)[11]。張占存的研究表明[12]，煤中孔的孔徑分布比較廣，但以低于5nm的微孔為主。這種孔徑一定程度上決定了煤吸附物質(zhì)的種類以及吸附量。大多數(shù)煤均含水，含水量高容易導(dǎo)致煤的燃燒值下降、運(yùn)輸成本增加。煤中的水含量基本都來(lái)自于吸附水，煤對(duì)水的吸附與孔徑、孔隙率有關(guān)，特別是印度尼西亞的褐煤，孔徑分布廣，主要為中孔，不僅含水量大，而且吸水性很強(qiáng)，增加了脫水成本。相反對(duì)于煤階較高的煙煤、無(wú)煙煤則對(duì)水分的吸附較差。

1.2 煤對(duì)其他物質(zhì)的吸附研究

煤對(duì)于其他物質(zhì)的吸附可以形成伴生礦，如對(duì)鈾礦的吸附，形成親煤型砂巖鈾礦，在煤炭燃燒的過(guò)程中以粉煤灰的形式釋放放射性污染物，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。但同時(shí)也可以進(jìn)行改性后用于環(huán)境污染的治理，如使用磺化后的泥炭對(duì)六價(jià)鉻廢水進(jìn)行處理，不止可以吸附重金屬離子，還可以先對(duì)六價(jià)鉻進(jìn)行還原以降低其毒性。

煤的吸附特性隨著煤中含有的鏡質(zhì)組和惰性組的含量不同而不同，同時(shí)也于孔徑分布有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，煤的吸附主要取決于有機(jī)物質(zhì)，其中鏡質(zhì)組的吸附能力要略強(qiáng)于惰性組，同一煤層中的亮煤比暗煤吸附性強(qiáng)，20個(gè)大氣壓以上的高壓下，絲質(zhì)組的吸附強(qiáng)于鏡質(zhì)組]。另外吸附性的大小與煤的滲透性有關(guān)，吸附性越強(qiáng)，吸附量越大，滲透性就越小。

2 煤吸附性研究與應(yīng)用展望

煤的吸附性研究現(xiàn)在主要集中在對(duì)氣體分子如CH4、CO2、N2、O2，水分、一些伴生礦物和重金屬離子，而研究目的也主要集中在了煤炭開采危險(xiǎn)性、煤炭自燃危險(xiǎn)性及風(fēng)化速度、煤炭燃燒值降低和運(yùn)輸成本升高問(wèn)題、煤炭燃燒后的污染，其他方面的研究相對(duì)較少。盡管煤的吸附性能與非金屬礦物如沸石、膨潤(rùn)土、麥飯石等相比還有很多不足，并且吸附性能與煤的種類及煤階高低、產(chǎn)地等因素有很大關(guān)系，但我們相信將來(lái)對(duì)于煤吸附性的研究會(huì)擴(kuò)展到表面活化與鈍化、煤吸附有害物質(zhì)、煤中有害物質(zhì)的分離等方面。總之煤的吸附性是煤各種特性中尚未完全開發(fā)利用的領(lǐng)域，必將成為未來(lái)研究的重要課題之一。

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