煤巖特征與活性炭質(zhì)量關(guān)系研究

＊吳天才 陳蓉 余秀冠

（寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局 寧夏 750002）

引言

活性炭是具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積大、選擇吸附能力強(qiáng)的碳材料，目前已廣泛應(yīng)用于軍工、化工、食品、輕工、醫(yī)藥、制藥、環(huán)保和水處理等工業(yè)和生活的各個(gè)方面，其用量在近20年來以每年約3%～5%的速度遞增。其中，以煤為原料生產(chǎn)的活性炭由于來源廣泛、品種多、價(jià)格相對(duì)低廉，因而在活性炭總生產(chǎn)量中所占比重不斷遞增[1-4]。

煤基活性炭，是以煤炭為原材料，經(jīng)過磨粉、成型、炭化、活化后形成的多孔性材料，可用于制備活性炭的煤種有無煙煤、煙煤中的不粘煤和弱粘結(jié)煤、褐煤等。煤基活性炭的結(jié)構(gòu)和性能在很大程度上取決于原料煤的性質(zhì)，而原料煤的性質(zhì)在很大程度上決定于煤巖特征。相關(guān)研究表明，以不同煤種或同一煤種中不同化學(xué)性質(zhì)的顯微組分為原料所制活性炭的結(jié)構(gòu)及性能差別很大[5-7]。

本文通過分析寧夏煤類分布和煤礦的實(shí)際生產(chǎn)情況，選擇汝箕溝礦區(qū)的無煙煤、馬家灘礦區(qū)和王洼礦區(qū)的不粘煤制備活性炭，通過分析原料煤煤巖特征及相應(yīng)的活性炭的質(zhì)量性能，研究原料煤的煤巖特征與活性炭質(zhì)量關(guān)系[8-9]。

1.試驗(yàn)方法

(1)原料煤采集

汝箕溝礦區(qū)大峰露天煤礦治理區(qū)和馬家灘礦區(qū)金鳳煤礦從露天煤堆上采樣，其余從煤礦坑口采樣；王洼礦區(qū)王洼二礦和銀洞溝煤礦采取了多煤層混合煤樣，其余煤礦采取單一煤層煤樣；采樣時(shí)選取新鮮塊煤，共采取8件煤樣，采樣重量在25kg以上。

(2)顯微煤巖組分分析

采取的煤樣經(jīng)過制備，在實(shí)驗(yàn)室顯微鏡下用反射光法觀察煤的光片，依據(jù)煤的形態(tài)特征和光學(xué)性質(zhì)研究顯微煤巖組分[10]。

(3)活性炭制備及性能測(cè)試

活性炭制備使用小試活化一體爐、小型液壓機(jī)成型設(shè)備、小型捏合設(shè)備和水蒸氣發(fā)生器等設(shè)備，馬家灘礦區(qū)和王洼礦區(qū)的不粘煤制備了破碎活性炭；汝箕溝礦區(qū)的無煙煤制備了柱狀活性炭，為對(duì)比需要，其中一個(gè)無煙煤樣也制備破碎活性炭[11]。

根據(jù)活性炭的主要性質(zhì)和用途，選取碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值等兩項(xiàng)指標(biāo)作為本次活性炭質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)[12-13]。

2.試驗(yàn)結(jié)果

(1)顯微煤巖組分

本次研究煤巖組分樣品測(cè)試結(jié)果見圖1、表1。

表1 本次研究煤巖組分樣品測(cè)試結(jié)果表

圖1 本次研究煤巖組分樣品測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，各礦區(qū)有機(jī)組分、無機(jī)組分含量總體相差不大，有機(jī)組分含量一般在95%以上，汝箕溝礦區(qū)較其他礦區(qū)略高，王洼礦區(qū)最低。

有機(jī)組分中，各礦區(qū)均以鏡質(zhì)組為主，其中汝箕溝礦區(qū)鏡質(zhì)組含量最大，接近90%，其他礦區(qū)一般低于75%；而惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量大小正好相反。

無機(jī)組分中，王洼礦區(qū)黏土類、硫化鐵類、碳酸鹽類、氧化硅類均略高于其他兩個(gè)礦區(qū)，汝箕溝礦區(qū)最低。

(2)活性炭質(zhì)量特征

①測(cè)試結(jié)果及校正

本次在制備活性炭時(shí)，汝箕溝礦區(qū)的一個(gè)無煙煤樣（汝-3）同時(shí)制備了破碎活性炭和柱狀活性炭，在進(jìn)行測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析時(shí)，根據(jù)相同煤樣破碎活性炭與柱狀活性炭測(cè)試值的倍數(shù)關(guān)系，對(duì)所有柱狀活性炭的測(cè)試數(shù)據(jù)以相同倍數(shù)進(jìn)行校正。

活性炭質(zhì)量測(cè)試及校正結(jié)果見表2。

表2 本次制備活性炭質(zhì)量測(cè)試及校正結(jié)果表

②活性炭質(zhì)量特征評(píng)述

本次煤樣制備的活性炭測(cè)試參數(shù)為碘吸附值和亞甲藍(lán)吸附值，測(cè)試結(jié)果相對(duì)大小見圖2。

圖2 本次活性炭質(zhì)量測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖（各參數(shù)之間不依比例）

活性炭碘吸附值的大小與活性炭微孔的多少具有相關(guān)性，碘吸附值是活性炭對(duì)小分子雜質(zhì)吸附能力的表現(xiàn)[4]。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，王洼礦區(qū)不粘煤制備的活性炭碘吸附值最高，馬家灘礦區(qū)不粘煤制備的活性炭碘吸附值最低。因此，王洼礦區(qū)不粘煤制備的活性炭微孔最多，金鳳煤礦不粘煤制備的活性炭微孔最少。

活性炭亞甲藍(lán)吸附值的大小表征活性炭中微孔的發(fā)育程度[4]。王洼礦區(qū)不粘煤制備的活性炭亞甲藍(lán)吸附值最高，馬家灘礦區(qū)不粘煤和汝箕溝礦區(qū)無煙煤制備的活性炭亞甲藍(lán)吸附值相差不大。因此，王洼礦區(qū)不粘煤制備的活性炭中孔最多，馬家灘礦區(qū)不粘煤和汝箕溝礦區(qū)無煙煤制備的活性炭中孔較少。

3.煤巖特征與活性炭質(zhì)量關(guān)系分析

對(duì)于同一樣品，有機(jī)組分、無機(jī)組分、鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量大小是相對(duì)的。本次研究在對(duì)比有機(jī)組分、無機(jī)組分與活性炭質(zhì)量關(guān)系時(shí)以樣品的顯微組分為基數(shù)，在對(duì)比分析鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量時(shí)以有機(jī)組分含量為基數(shù)。

(1)有機(jī)組分、無機(jī)組分與活性炭質(zhì)量關(guān)系

原料煤的有機(jī)組分含量在95%左右時(shí)，活性炭的碘吸附值達(dá)到最大，而亞甲藍(lán)吸附值最小（見圖3、圖4）。

圖3 有機(jī)組分含量與活性炭質(zhì)量關(guān)系圖

因此，煤炭有機(jī)組分在95%左右時(shí)，制備的活性炭微孔最發(fā)育，而隨著煤炭有機(jī)組分的升高或降低，其制備的活性炭微孔減少，中孔增加。相對(duì)應(yīng)，煤炭無機(jī)組分在5%左右時(shí)，制備的活性炭微孔最發(fā)育，而隨著煤炭無機(jī)組分的升高或降低，其制備的活性炭微孔減少，中孔增加。

(2)鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組與活性炭質(zhì)量關(guān)系

有機(jī)組分的鏡質(zhì)組含量在83%左右時(shí)，活性炭的碘吸附值最小，而亞甲藍(lán)吸附值達(dá)到最大（見圖4）。

圖4 鏡質(zhì)組含量與活性炭質(zhì)量關(guān)系圖

因此，有機(jī)組分的鏡質(zhì)組在83%左右時(shí)，制備的活性炭中孔最發(fā)育，隨著煤炭鏡質(zhì)組的升高或降低，其制備的活性炭中孔減少，微孔增加。

有機(jī)組分的惰質(zhì)組含量在17%左右時(shí)，活性炭的碘吸附值最小，而亞甲藍(lán)吸附值隨惰質(zhì)組含量的增加略有增大（見圖5）。

圖5 惰質(zhì)組含量與活性炭質(zhì)量關(guān)系圖

因此，有機(jī)組分的惰質(zhì)組在17%左右時(shí)，制備的活性炭中孔最發(fā)育，隨著煤炭惰質(zhì)組的升高或降低，其制備的活性炭中孔減少，微孔增加。

有機(jī)組分的殼質(zhì)組含量在0.5%時(shí)，活性炭的碘吸附值最小，亞甲藍(lán)吸附值也最小（見圖6）。

圖6 殼質(zhì)組含量與活性炭質(zhì)量關(guān)系圖

因此，有機(jī)組分的殼質(zhì)組含量大于0.5%時(shí)，隨著殼質(zhì)組的升高，其制備的活性炭中孔和微孔均有所增加，且中孔增加更快。

4.結(jié)論

通過研究分析認(rèn)為，活性炭的質(zhì)量性能與原料煤顯微煤巖組分有直接關(guān)系。

（1）有機(jī)組分含量是活性炭孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙數(shù)量的決定性因素，當(dāng)無機(jī)組分含量大于5%時(shí)，無機(jī)組分對(duì)活性炭吸附性能產(chǎn)生的影響逐漸加大。

（2）鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組均能夠生成微孔和中孔，微孔主要由鏡質(zhì)組生成，中孔主要由惰質(zhì)組生成；鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組含量之比約為5:1時(shí)，制備的活性炭中孔最發(fā)育，當(dāng)二者之比偏離此值，制備的活性炭中孔減少，微孔增加。

（3）寧夏煤炭中殼質(zhì)組含量少，當(dāng)殼質(zhì)組含量大于0.5%時(shí)，會(huì)對(duì)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)和數(shù)量產(chǎn)生影響。