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。本文介紹了近年來關(guān)于煤吸附氣體以及液體的相關(guān)研究，并對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：TD713文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X(2012)08(a)-0036-01煤是古植物遺體在膠凝化過程的最后全部凍膠填滿細(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。對水分的吸附影響到煤的品質(zhì)以及在洗選過程中的耗水量，我們將從對氧氣、甲烷等氣體分子、水分以及其他物質(zhì)的吸附研究狀況來進(jìn)行總結(jié)，并對未來煤吸附研究進(jìn)行展望。

1 煤吸附性研究現(xiàn)狀

1.1 煤對氣體小分子的吸附

煤中含有大量芳香環(huán)，對氧氣的吸附可以分為環(huán)對煤的吸附和側(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)本身對氧分子的吸附能，在煤炭自燃過程中起更重要的作用[2]，計算結(jié)果還表明煤的含硫側(cè)鏈對氧的吸附能可達(dá)601.93kJ/mol[3]，放出的熱對煤的自燃有很大幫助，因此煤種含硫量越高，自燃的危險越大，與實(shí)際情況相同。除硫元素外，磷元素對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]，煤吸附的動態(tài)變化過程分為活性吸附、變能吸附、趨勢化吸附階段，煤吸附活化能與覆蓋度之間存在對數(shù)關(guān)系，同時指出，煤炭自燃與吸氧速度相關(guān)。

煤對于甲烷等氣體分子的吸附會使煤炭的形成過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]，煤對甲烷的吸附量最大，對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，瓦斯在煤炭開采過程中突出的危險性就越大。張群等人的實(shí)驗(yàn)研究證明，不同煤階煤對甲烷的吸附特征曲線相似，都是對數(shù)曲線形態(tài)[8]。降文萍等人用石墨（002）面模擬煤表面對甲烷的吸附，對CH4的吸附勢阱約4～9kJ/mol[9]。蘇現(xiàn)波等人對實(shí)驗(yàn)煤樣的研究表明對甲烷的吸附呈現(xiàn)出優(yōu)先吸附、滯后解吸的特點(diǎn)[10]，并且煤對13CH4的吸附該特點(diǎn)更明顯。降文萍等人對煤炭吸附甲烷和CO2的計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自于吸附水，煤對水的吸附與孔徑、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。相反對于煤階較高的煙煤、無煙煤則對水分的吸附較差。

1.2 煤對其他物質(zhì)的吸附研究

煤對于其他物質(zhì)的吸附可以形成伴生礦，如對鈾礦的吸附，形成親煤型砂巖鈾礦，在煤炭燃燒的過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六價鉻廢水進(jìn)行處理，不止可以吸附重金屬離子，還可以先對六價鉻進(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，同時也于孔徑分布有關(guān)，一般來說，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性、煤炭自燃危險性及風(fēng)化速度、煤炭燃燒值降低和運(yùn)輸成本升高問題、煤炭燃燒后的污染，其他方面的研究相對較少。盡管煤的吸附性能與非金屬礦物如沸石、膨潤土、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，但我們相信將來對于煤吸附性的研究會擴(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?？傊旱奈叫允敲焊鞣N特性中尚未完全開發(fā)利用的領(lǐng)域，必將成為未來研究的重要課題之一。

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