活性炭纖維吸附劑在礦井瓦斯中的選型與改性設(shè)計

趙佳

摘 要：筆者主要研究了煤礦當中瓦斯富集分離吸附劑，對當前市場中出售的五種活性炭纖維吸附劑進行了對比，研究了在293K時，關(guān)于甲烷和氮氣的變壓吸附情況，對五種吸附劑的吸附能力和分離因子進行了對比，應(yīng)用了一種效果最好的吸附劑同時對其進行氨水浸漬改性實驗，以求得到最好的改性條件。研究結(jié)果得到：最好的改性材料是紫川炭纖維，這種材料不同于傳統(tǒng)意義上的活性炭纖維，在利用氨水改性后，其孔容和表面積有效增大，提高了吸附甲烷的能力，如果活性炭纖維利用濃度為5mol/L的氨水進行改性，則會收到更好的效果，分離系數(shù)可以達到5.32。

關(guān)鍵詞：吸附劑；瓦斯；活性炭纖維；吸附等溫線；分離因子

在煤炭開采過程中，會出現(xiàn)大量的瓦斯氣體并排放到空氣當中。而這些瓦斯氣體中含有豐富的甲烷，這是一種高質(zhì)量的氣態(tài)燃料和化工原料，而且還需注意的是，這些甲烷會產(chǎn)生嚴重的溫室效應(yīng)，是二氧化碳的21倍，同時也會破壞大氣臭氧層，是二氧化碳的7倍，因此 如果將甲烷排放到空氣中，不但浪費了大量的資源而且也形成了嚴重的空氣污染。所以回收瓦斯氣體中的甲烷具有非常重要的經(jīng)濟價值和社會價值。利用變壓吸附技術(shù)可以有效回收甲烷，同時也得到了世界發(fā)達國家的大力重視，都致力于研究開發(fā)各種吸附劑。活性炭纖維是一種最近出現(xiàn)的吸附材料，最明顯的優(yōu)點就是擁有最大的比表面積和豐富的微孔，微孔體積能夠占到總體積的90%以上，而且這些微孔位于纖維的表面有著非常小的直徑，有著最大的吸附容量和吸附效率，而且也容易做到脫附。利用一定的含氮化合物浸泡活性炭纖維，那么活性炭纖維的性質(zhì)就會改變，含氮量增加，而吸附能力更強。存在于活性炭纖維表面的化學(xué)物質(zhì)不利于吸附污染物，當前還沒有出現(xiàn)研究炭材料吸附分離煤礦瓦斯性能的研究。所以，本文主要針對甲烷和氮氣等污染物，在改性活性炭纖維時主要利用氨水，同時測試了改性后的吸附效果，有利于今后研究開發(fā)新型吸附劑。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

筆者在實驗中選擇了純甲烷氣體，純氮氣和氨水。北京揚子商貿(mào)有限公司生產(chǎn)；紫川炭纖維1，紫川炭纖維2，生產(chǎn)廠家為秦皇島紫川炭纖維公司；森鑫炭纖維1，森鑫炭纖維2，森鑫炭纖維3，廠地都為鞍山；變壓吸附儀 ASAP2050，全自動比表面及微孔吸附儀 2020，產(chǎn)地都為美國。

1.2 改性吸附劑的制備

1.2.1 氨水浸漬

利用儀器量取2 g的紫川炭纖維1，將其放在100 m L 2，4，5，6，8 mol/L的氨水溶液中，在常溫下放置，時間限制為一天，然后利用去離子水對其進行過濾，最后把這種活性炭纖維放入干燥箱中，利用353K進行烘干，就得到了改性后的活性炭纖維，可以將其認定為活性炭纖維2，活性炭纖維4，活性炭纖維5，活性炭纖維6，活性炭纖維8。

1.2.2 再利用儀器稱量2 g紫川炭纖維1

將其放入濃度為100 m L 5 mol/L 的氨水溶液中，利用超聲波儀器進行處理，設(shè)定溫度為20度，制作頻率控制在50 和 90 k Hz，利用這種設(shè)備處理一天半，還不能取出，再繼續(xù)用此溶液泡二天，再利用離子水過濾，最后把這種物質(zhì)放入干燥箱中，利用353 K對其烘干，也就能得到具有不同頻率的超聲波改性的活性炭纖維，可以標記為活性炭纖維9，活性炭纖維10。

1.2.3接著利用儀器稱量2 g紫川炭纖維1

將它放入濃度為100 m L 5 mol/L 的氨水溶液中，全部置入耐溫瓶中，一同放入烘箱中利用80 和 200 ℃進行浸泡，時間限定為十天，然后放入室溫下繼續(xù)泡十四天，利用去離子水進行過濾，最后把其放入干燥箱中，利用353 K進行烘干，可以標記為活性炭纖維11，CF12。

1.2.4實驗測試及原理變壓吸附量

在666. 6 Pa 真空條件下，利用美國生產(chǎn)的變壓吸附儀，將其放入150 ℃的環(huán)境中脫氣四天，再利用各種儀器測量甲烷氮氣的吸附量，最后利用計算機處理所得數(shù)據(jù)。比表面積和孔容：使用美國生產(chǎn)的物理吸附儀，在低溫條件下利用氮氣吸附法測量氮氣吸附等溫線，最后利用計算機進行處理。測試原理是容量法，指的是利用一定的溫度和測量手段，依據(jù)一定質(zhì)量的吸附劑接觸前氣體的壓力和體積來得到吸附氣體的數(shù)量。

2 試驗結(jié)果及分析

2. 1 活性炭纖維 原樣變壓吸附

五種活性炭纖維吸附甲烷的能力都要比氮氣的吸附能力強，這是由于在常溫和低壓力，主要是利用了物理吸附原理。而且由于甲烷的極化率比氮氣的極化率要高，因此甲烷吸附劑的作用比氮氣吸附劑的作用要大得多，導(dǎo)致形成的結(jié)果就是甲烷首先被吸附。而且還需注意的是，活性炭纖維吸附甲烷和氮氣的數(shù)量隨壓力的改變而改變，壓力越大則能力越強。

活性炭纖維有著大量的微孔，壓力不高時，吸附容量增加，壓力增大時，吸附能力下降，這一實驗結(jié)果表明活性炭纖維主要依靠微孔而且孔徑分布也集中。

其中，紫川炭纖維1和森鑫炭纖維1在吸附甲烷時表現(xiàn)最好，森鑫炭纖維1吸附氮氣的量表現(xiàn)為最大，紫川炭纖維1吸附氮氣的數(shù)量比不上森鑫炭纖維1，因此可以最好的作用于甲烷和氮氣的分離因子，在159.6kPa時達到了5.23。紫川炭纖維2雖然擁有較大的分離系數(shù)，但在吸附甲烷和氮氣時表現(xiàn)不好。森鑫炭纖維2 和森鑫炭纖維3吸附甲烷和氮氣的數(shù)量都不多，不具備較高的分離系數(shù)?？傊?，以分離系數(shù)高和吸附量大為標準，應(yīng)該將紫川炭纖維1作為最佳的活性炭纖維，應(yīng)該對其進行改性。研究吸附劑的改性，在本文中具有非常重要的地位。

通常情況下，比表面積和孔徑分布都會影響到吸附量的大小，隨著比表面積的增大則吸附量也增大，依據(jù)實驗效果可以得到，比表面積森鑫炭纖維1<森鑫炭纖維2<森鑫炭纖維3<紫川炭纖維1<紫川炭纖維2，但是對甲烷和氮氣的吸附量都是 森鑫炭纖維1>森鑫炭纖維2>森鑫炭纖維3，紫川炭纖維1>紫川炭纖維2，由于孔徑的大小也會進一步影響到吸附量，依據(jù)有關(guān)文獻表明，孔徑的大小對活性炭是否具有吸附甲烷的性能具有決定性影響，微孔比表面積則居于第二位。

2.2 氨水常溫常規(guī)浸漬變壓吸附

自上面的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用不同濃度的氨水對紫川炭纖維1進行浸泡，可以得到擁有不同吸附甲烷和氮氣的能力，與原始活性炭纖維對比，利用氨水浸泡紫川炭纖維1后，可以加大其吸附甲烷和氮氣的數(shù)量，這是由于氨水屬于堿性溶液，利用氨水對其進行浸泡，存在于活性炭纖維表面的酸性基因可以與氨水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，利用洗滌和干燥法消除后，可以導(dǎo)致其表面的酸性降低，堿性增強。

隨著氨水濃度越來越大，其吸附量也會發(fā)生相應(yīng)的變化，先出現(xiàn)增大后出現(xiàn)減少，5mol/L時，具有最大的吸附量，159.6kPa時，吸附甲烷的數(shù)量只能達到41.05cm3/g，增加率大大下降，吸附氮氣的最大數(shù)量為14.16cm3/g，增加率則有所提高，同時分離系數(shù)也有所增加達到了5.32。

根據(jù)實驗結(jié)果得到，與原始活性炭纖維對比，在利用氨水浸泡后的紫川炭纖維1，其比表面積有所增大，氨水濃度越來越高，比表面積先增大則后減小，5mol/L時，比表面積最大，增加率達到了12.13%。

甲烷和氮氣的分子直徑不同，動力學(xué)直徑一般情況下為：0.382，0.364nm，因此可以表明，活性炭纖維在吸附甲烷時應(yīng)該有最為合適的孔徑，活性炭的最優(yōu)孔徑是甲烷分子直徑的二倍，也就是0.76～1.00 nm。

吸附劑的細孔主要可以分為三種情況：小于2nm的微孔，在2～50nm的中孔，大于 50 nm 的大孔。由這些數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，微孔是吸附甲烷的最佳孔徑。

2.3 氨水超聲或熱浸漬變壓吸附

依據(jù)上面的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，利用氨水超聲或高溫對活性炭纖維進行處理后，增強了吸附甲烷和氮氣的能力，但還是不能與常溫浸漬相比。

利用超聲波進行處理，液體會產(chǎn)生空化現(xiàn)象，這時則會出現(xiàn)局部高溫和高壓、發(fā)光、沖擊波和微射流等，導(dǎo)致溶液的粘度下降，增加了有效擴散系數(shù)，大量的浸漬液進行毛細孔，會使浸液速度加快。結(jié)果表明，利用超聲浸漬處理得到的吸附效果不能與常規(guī)浸漬相比，主要原因是由于利用超聲波處理的活性炭纖維中孔的比例大大增加，而且如果超聲波的功率不大則會導(dǎo)致活性炭孔隙中孔的大量增加。如果微孔擴大為中孔，那么就會導(dǎo)致活性炭纖維吸附甲烷和氮氣的能力下降。

活性炭纖維5 和 活性炭纖維11進行二二對比可以發(fā)現(xiàn)，除了二者的浸漬溫度存在區(qū)別外，濃度和處理方法都相同，但利用20 ℃進行處理和利用80 ℃進行處理得到的效果卻不同，這是由于利用20 ℃進行處理可以使物理吸附效果達到最佳，而利用80 ℃進行處理，物理吸附作用明顯下降，化學(xué)吸附收不到應(yīng)有的效果，那么整體情況不能與20度相比。

3 結(jié)語

五種活性炭纖維吸附甲烷的數(shù)量比氮氣的數(shù)量要大，而且吸附甲烷和氮氣的數(shù)量與壓力有一定的關(guān)系，壓力越高則吸附效果越明顯。

紫川炭纖維1吸附甲烷的效果最好，而且吸附氮氣的數(shù)量也很大，關(guān)于甲烷和氮氣的分離因子最大，159. 6 k Pa時突破了 5. 23。因此這是一種改性的最好材料。

利用濃度不同的氨水進行改性，無論是活性炭纖維的比表面積還是吸附甲烷和氮氣的能力都會增大，利用5 mol/L 氨水改性的活性炭纖維具有最大的吸附量，而且分離系數(shù)也最高，微孔孔容和比表面積也逐步增加，達到最好的吸附甲烷的效果。

進行物理吸附最好在低溫下進行，因此，利用高溫浸漬在改性吸附劑時收不到較好的效果。

超聲波可以產(chǎn)生較多的中孔，利用氨水超聲波浸漬活性炭纖維后不能與常規(guī)浸漬相比，如果對其改性成本進行研究，則利用常規(guī)浸漬則是最好的選擇。

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