工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 煤基活性炭改性及其甲烷吸附能力 金龙哲赵金丹王辉柏杨闫康 Characteristic modification of coal-based activated carbon and its methane adsorption capacity JIN Long-zhe,ZHAO Jin-dan,WANG Hui.BAI Yang.YAN Kang 引用本文： 金龙哲，赵金丹，王辉，柏杨，闫康.煤基活性炭改性及其甲烷吸附能力[J].工程科学学报，优先发表.do: 10.13374j.issn2095-9389.2021.03.18.002 JIN Long-zhe,ZHAO Jin-dan,WANG Hui,BAI Yang.YAN Kang.Characteristic modification of coal-based activated carbon and its methane adsorption capacity[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.18.002 在线阅读View online::htps:/ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2021.03.18.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
煤基活性炭改性及其甲烷吸附能力 金龙哲 赵金丹 王辉 柏杨 闫康 Characteristic modification of coal-based activated carbon and its methane adsorption capacity JIN Long-zhe, ZHAO Jin-dan, WANG Hui, BAI Yang, YAN Kang 引用本文: 金龙哲, 赵金丹, 王辉, 柏杨, 闫康. 煤基活性炭改性及其甲烷吸附能力[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.18.002 JIN Long-zhe, ZHAO Jin-dan, WANG Hui, BAI Yang, YAN Kang. Characteristic modification of coal-based activated carbon and its methane adsorption capacity[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.18.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.18.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
工程科学学报.第44卷，第X期：1-8.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-8,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.18.002;http://cje.ustb.edu.cn 煤基活性炭改性及其甲烷吸附能力 金龙哲，赵金丹，王辉区，柏杨，间康 北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangh@ustb.edu.cn 摘要针对无烟煤制备成的煤基活性炭，采用酸式改性、碱式改性和联合改性的方法对其进行改性处理.通过低温液氨吸 附实验、傅立叶红外光谱技术、高压甲烷吸附实验，分析了煤基活性炭的表面物理、化学结构、甲烷的吸附能力.借助 Langmuir吸附等温模型、Freundlich模型进行数据拟合，研究了吸附热力学和动力学特征.结果表明，联合改性后的煤基活性 炭比表面积和孔容均明显增大，其中比表面积增大66.66%，总孔容增大30.89%：煤基活性炭的甲烷吸附能力明显提高，甲烷 吸附量提升25.686%.煤基活性炭的孔隙结构和表面官能团共同决定了其对甲烷的吸附作用，且较于孔隙结构，表面官能团 的极性对甲烷吸附量起主要作用. 关键词煤基活性炭：甲烷吸附能力：表面官能团：孔隙结构：改性 分类号TD849 Characteristic modification of coal-based activated carbon and its methane adsorption capacity JIN Long-zhe,ZHAO Jin-dan,WANG Hu,BAI Yang.YAN Kang School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangh@ustb.edu.cn ABSTRACT Methane is an important high-quality clean energy that mainly comes from the decomposition of organic waste,natural gas,fossil fuel extracts,etc.Recycling it from a gaseous mixture is beneficial for environmental protection and energy utilization and development.The new coal-based activated carbon is a widely used storage material for methane because of its economic benefit and practicality;thus,coal-based activated carbon modification is greatly significant.This research aims to further reveal the methane adsorption mechanism of coal-based activated carbon by studying the influence of acidic,basic,and combined modifications on methane adsorption and seek a more efficient means of coal-based activated carbon modification.The coal-based activated carbon made from anthracite coal was processed through acidic,basic,and combined modifications.In addition,the physical and chemical structures of the coal-based activated carbon surface and the adsorption ability of methane were precisely analyzed through low-temperature liquid nitrogen adsorption,Fourier infrared spectroscopy,and high-pressure methane adsorption experiments.The characteristics of adsorption thermodynamics and kinetics were also determined by using the Langmuir adsorption isotherm model and the Freundlich model for data fitting.The results show a significant increase in the specific surface area and pore volume of the coal-based activated carbon after combined modification.The specific surface area and the total pore volume increases by 66.66%and 30.89%,respectively.The methane adsorption capacity of the coal-based activated carbon also significantly improved after combined modification.Methane adsorption increases by 25.686%.In addition,both the pore structure and the contained functional groups on the surface jointly determine the methane adsorption,which is mainly affected by the polarity of the surface functional groups rather than the pore structure. 收稿日期：2021-03-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51574017)
煤基活性炭改性及其甲烷吸附能力 金龙哲，赵金丹，王 辉苣，柏 杨，闫 康 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 苣通信作者， E-mail:wangh@ustb.edu.cn 摘 要 针对无烟煤制备成的煤基活性炭，采用酸式改性、碱式改性和联合改性的方法对其进行改性处理. 通过低温液氮吸 附实验、傅立叶红外光谱技术、高压甲烷吸附实验，分析了煤基活性炭的表面物理、化学结构、甲烷的吸附能力. 借助 Langmuir 吸附等温模型、Freundlich 模型进行数据拟合，研究了吸附热力学和动力学特征. 结果表明，联合改性后的煤基活性 炭比表面积和孔容均明显增大，其中比表面积增大 66.66%，总孔容增大 30.89%；煤基活性炭的甲烷吸附能力明显提高，甲烷 吸附量提升 25.686%. 煤基活性炭的孔隙结构和表面官能团共同决定了其对甲烷的吸附作用，且较于孔隙结构，表面官能团 的极性对甲烷吸附量起主要作用. 关键词 煤基活性炭；甲烷吸附能力；表面官能团；孔隙结构；改性 分类号 TD849 Characteristic modification of coal-based activated carbon and its methane adsorption capacity JIN Long-zhe，ZHAO Jin-dan，WANG Hui苣 ，BAI Yang，YAN Kang School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: wangh@ustb.edu.cn ABSTRACT Methane is an important high-quality clean energy that mainly comes from the decomposition of organic waste, natural gas, fossil fuel extracts, etc. Recycling it from a gaseous mixture is beneficial for environmental protection and energy utilization and development. The new coal-based activated carbon is a widely used storage material for methane because of its economic benefit and practicality; thus, coal-based activated carbon modification is greatly significant. This research aims to further reveal the methane adsorption mechanism of coal-based activated carbon by studying the influence of acidic, basic, and combined modifications on methane adsorption and seek a more efficient means of coal-based activated carbon modification. The coal-based activated carbon made from anthracite coal was processed through acidic, basic, and combined modifications. In addition, the physical and chemical structures of the coal-based activated carbon surface and the adsorption ability of methane were precisely analyzed through low-temperature liquid nitrogen adsorption, Fourier infrared spectroscopy, and high-pressure methane adsorption experiments. The characteristics of adsorption thermodynamics and kinetics were also determined by using the Langmuir adsorption isotherm model and the Freundlich model for data fitting. The results show a significant increase in the specific surface area and pore volume of the coal-based activated carbon after combined modification. The specific surface area and the total pore volume increases by 66.66% and 30.89%, respectively. The methane adsorption capacity of the coal-based activated carbon also significantly improved after combined modification. Methane adsorption increases by 25.686%. In addition, both the pore structure and the contained functional groups on the surface jointly determine the methane adsorption, which is mainly affected by the polarity of the surface functional groups rather than the pore structure. 收稿日期: 2021−03−18 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51574017） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−8，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−8, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.18.002; http://cje.ustb.edu.cn
工程科学学报，第44卷，第X期 KEY WORDS coal-based activated carbon;methane adsorption capacity:surface functional groups;pore structure;characteristics modification 甲烷是一种重要的优质清洁能源，主要来源 后经人工筛分处理得到0.12mm以下颗粒样品 于有机废物的分解、天然气、化石燃料提取物等， 置于恒温鼓风干燥箱中，在80℃下通风干燥10h 将其从气态混合物中回收对保护环境、能源利用 后备用 与开发都是十分有利的.目前，主要的甲烷吸附存 对所得的煤基活性炭，采用酸式改性、碱式改 储材料包括分子筛、多孔碳材料以及金属有机框 性和联合改性的方法进行改性处理.酸、碱改性 架化合物等山，其中，活性炭材料因其制作简单、 剂分别选用4molL硝酸溶液和3molL氢氧化 价格便宜，被认为是最适合的甲烷存储材料.而以 钠溶液.放入硝酸溶液，在50℃水浴中加热6h, 煤作为原料加工而成的煤基活性炭因具有微孔数 水洗至pH值为6，在140℃鼓风干燥4h后，得到 量多、比表面积大、表面官能团多、稳定性好等特 酸性改性样品，记为H;放入氢氧化钠溶液在50℃ 点而被广泛研究-句 水浴中加热6h,水洗至pH值为8.后置于恒温鼓 近年来，许多学者试图探索新型煤基活性炭 风干燥箱中，在140℃鼓风干燥4h后，得到碱性 作为甲烷的存储材料，希望通过改变孔隙结构、官 改性样品，记为N:取H样品，加入氢氧化钠溶液， 能团等来提高其甲烷吸附能力-1研究发现，多 在50℃水浴中加热6h,水洗至pH值为8，后置于 孔性结构使煤基活性炭具有强大的吸附能力和催 恒温鼓风干燥箱中，在140℃鼓风干燥4h后，得 化能力，而表面存在的官能团，例如酞胺基、乳胺 到酸碱联合改性样品，记为H-N;原煤基活性炭记 基、亚胺基等，使其具有阴离子交换的能力以及碱 为1. 性特征o,对于气体的吸附能力进一步增强.因 2煤基活性炭表征测试分析 此，为了进一步增强煤基活性炭对于甲烷的吸附 能力，展开了对煤基活性炭的改性研究-，即对 2.1煤基活性炭孔隙结构测试 其表面官能团等表面特征进行改变.总体而言，煤 借助3H-2000PM1型全自动气体吸附分析仪， 基活性炭改性包括湿法改性和干法改性两大类， 150℃下连续脱气处理4h后，在低温液氮(77.3K) 干法改性主要借助热处理、射线照射等方法，但该 下分别测定原煤及4种样品的吸脱附等温曲线 方法会存在不易控制改性的深度、容易破坏材料 氨吸附等温线可以获取吸附剂的多种结构参数， 体相等不足.湿法改性主要采用氧化还原反 利用BH法（圆筒孔模型）分析材料的孔径分布， 应，或浸渍、负载金属、金属盐等方法对煤基活性 BET法计算比表面积，取测试中相对压力PPo为 炭进行处理3，，其中氧化还原反应因成本低、易 0.995的吸附量来计算活性炭的总孔容.低温液氨 操作、效果好等特点而被广泛应用，主要以硝酸6、 吸附脱附等温曲线如图1所示. 次氯酸7等强氧化剂为主，碱性及酸碱联合改性 观察图1中的煤基活性炭曲线可知，在初始阶 研究相对较少.因此，本研究希望通过研究酸、 段，增加相对压力，气体的吸附量平稳增加，呈现 碱、酸碱联合改性对其吸附甲烷的影响8-叨，进一 上凹性，发生多层吸附，最后在接近饱和压力时吸 步揭示煤基活性炭的甲烷吸附机理0，寻求更加 附量急剧攀升，没有表现出吸附饱和的特点，说明 高效的煤基活性炭改性手段 发生多层吸附的同时又发生了毛细凝聚现象.根 1煤基活性炭的制备及改性 据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)提出的物 理吸附等温线分类P1-,将这类吸附曲线归为第 选取宁夏优质无烟煤，采用物理活化法进行 Ⅱ类型吸附等温线，多层吸附阶段用BET方程描 炭化活化处理，得到粒径为1~2mm的煤基活性 述，最后阶段用开尔文方程描述.各个样品之间的 炭颗粒.按照GBT/212一2008标准，将煤样粉碎 最大吸附量为：N<I<H-N<H,由此可得各类样品 至80目以下并进行干燥处理.由于湿式研磨会造 的微孔孔容依次为Vmic(N)<Vmic(I)<Vmic(H-N)< 成Ca2+、Mg2+进入煤样和活性炭的微孔中，因此， 'mc(H).改性后，活性炭的孔隙结构发生了明显 采用实验室干式球磨法对其进行研磨.将煤样和 改变，改性方法对孔结构的影响差异明显，样品的 煤基活性炭分别放入卧式筒形球磨机中，研磨1.5h, 孔结构表征结果列于表l,其中，SET为BET比表
KEY WORDS coal-based activated carbon； methane adsorption capacity； surface functional groups； pore structure； characteristics modification 甲烷是一种重要的优质清洁能源，主要来源 于有机废物的分解、天然气、化石燃料提取物等， 将其从气态混合物中回收对保护环境、能源利用 与开发都是十分有利的. 目前，主要的甲烷吸附存 储材料包括分子筛、多孔碳材料以及金属有机框 架化合物等[1] ，其中，活性炭材料因其制作简单、 价格便宜，被认为是最适合的甲烷存储材料. 而以 煤作为原料加工而成的煤基活性炭因具有微孔数 量多、比表面积大、表面官能团多、稳定性好等特 点而被广泛研究[2−6] . 近年来，许多学者试图探索新型煤基活性炭 作为甲烷的存储材料，希望通过改变孔隙结构、官 能团等来提高其甲烷吸附能力[7−8] . 研究发现，多 孔性结构使煤基活性炭具有强大的吸附能力和催 化能力，而表面存在的官能团，例如酞胺基、乳胺 基、亚胺基等，使其具有阴离子交换的能力以及碱 性特征[9−10] ，对于气体的吸附能力进一步增强. 因 此，为了进一步增强煤基活性炭对于甲烷的吸附 能力，展开了对煤基活性炭的改性研究[11−12] ，即对 其表面官能团等表面特征进行改变. 总体而言，煤 基活性炭改性包括湿法改性和干法改性两大类， 干法改性主要借助热处理、射线照射等方法，但该 方法会存在不易控制改性的深度、容易破坏材料 体相[13−14] 等不足. 湿法改性主要采用氧化还原反 应，或浸渍、负载金属、金属盐等方法对煤基活性 炭进行处理[13,15] ，其中氧化还原反应因成本低、易 操作、效果好等特点而被广泛应用，主要以硝酸[16]、 次氯酸[17] 等强氧化剂为主，碱性及酸碱联合改性 研究相对较少. 因此，本研究希望通过研究酸、 碱、酸碱联合改性对其吸附甲烷的影响[18−19] ，进一 步揭示煤基活性炭的甲烷吸附机理[20] ，寻求更加 高效的煤基活性炭改性手段. 1 煤基活性炭的制备及改性 选取宁夏优质无烟煤，采用物理活化法进行 炭化活化处理，得到粒径为 1～2 mm 的煤基活性 炭颗粒. 按照 GBT/212—2008 标准，将煤样粉碎 至 80 目以下并进行干燥处理. 由于湿式研磨会造 成 Ca2+、Mg2+进入煤样和活性炭的微孔中，因此， 采用实验室干式球磨法对其进行研磨. 将煤样和 煤基活性炭分别放入卧式筒形球磨机中，研磨 1.5 h， 后经人工筛分处理得到 0.12 mm 以下颗粒样品. 置于恒温鼓风干燥箱中，在 80 ℃ 下通风干燥 10 h 后备用. 对所得的煤基活性炭，采用酸式改性、碱式改 性和联合改性的方法进行改性处理. 酸、碱改性 剂分别选用 4 mol·L−1 硝酸溶液和 3 mol·L−1 氢氧化 钠溶液. 放入硝酸溶液，在 50 ℃ 水浴中加热 6 h， 水洗至 pH 值为 6，在 140 ℃ 鼓风干燥 4 h 后，得到 酸性改性样品，记为 H；放入氢氧化钠溶液在 50 ℃ 水浴中加热 6 h，水洗至 pH 值为 8，后置于恒温鼓 风干燥箱中，在 140 ℃ 鼓风干燥 4 h 后，得到碱性 改性样品，记为 N；取 H 样品，加入氢氧化钠溶液， 在 50 ℃ 水浴中加热 6 h，水洗至 pH 值为 8，后置于 恒温鼓风干燥箱中，在 140 ℃ 鼓风干燥 4 h 后，得 到酸碱联合改性样品，记为 H-N；原煤基活性炭记 为 1. 2 煤基活性炭表征测试分析 2.1 煤基活性炭孔隙结构测试 借助 3H-2000PM1 型全自动气体吸附分析仪， 150 ℃ 下连续脱气处理 4 h 后，在低温液氮（77.3 K） 下分别测定原煤及 4 种样品的吸/脱附等温曲线. 氮吸附等温线可以获取吸附剂的多种结构参数， 利用 BJH 法（圆筒孔模型）分析材料的孔径分布， BET 法计算比表面积，取测试中相对压力 P/P0 为 0.995 的吸附量来计算活性炭的总孔容. 低温液氮 吸附脱附等温曲线如图 1 所示. 观察图 1 中的煤基活性炭曲线可知，在初始阶 段，增加相对压力，气体的吸附量平稳增加，呈现 上凹性，发生多层吸附，最后在接近饱和压力时吸 附量急剧攀升，没有表现出吸附饱和的特点，说明 发生多层吸附的同时又发生了毛细凝聚现象. 根 据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）提出的物 理吸附等温线分类[21−22] ，将这类吸附曲线归为第 Ⅱ类型吸附等温线. 多层吸附阶段用 BET 方程描 述，最后阶段用开尔文方程描述. 各个样品之间的 最大吸附量为：N< 1< H-N< H，由此可得各类样品 的微孔孔容依次为 Vmic（N）<Vmic（1）<Vmic（H-N）< Vmic（H）. 改性后，活性炭的孔隙结构发生了明显 改变，改性方法对孔结构的影响差异明显，样品的 孔结构表征结果列于表 1，其中，SBET 为 BET 比表 · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
金龙哲等：煤基活性炭改性及其甲烷吸附能力 3 .0F(a)Adsorption isotherm 320 (b)-.Adsorption isotherm 40 -Desorption isotherm --Desorption isotherm 24.0 20.0 &0 16.0 6.0 4.0 .0◆ 14300000000- 4.0h00600000-003 8.0 0 0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 PIP。 PIP。 m14.0 (c)--Adsorption isotherm 0220 Desorption isotherm 20.0 [(d)--Adsorption isotherm --Desorption isotherm 10.0 18.0 8.0 14.0 6.0 4.0 8.0 6.0 2.0 40 0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 PIP。 PIPo 图1煤基活性炭低温液氨吸附脱附等温线.()原始煤基活性炭，(b)酸式改性煤基活性炭：(c)碱式改性煤基活性炭：(d联合改性煤基活性炭 Fig.I Liquid N,adsorption-desorption isotherms of coal-based activated carbons:(a)raw coal-based activated carbon;(b)acid modified coal-based activated carbon;(c)basic modified coal-based activated carbon;(d)combined modified coal-based activated carbon 表1煤基活性炭的孔隙结构参数 Table 1 Pore parameters of different coal-based activated carbons Sample type code SBET/(m2g) Vw(cm2g) Vmie /(cm'g) Vme/(cm'g) Vmiel Vt Dy/nm 1 11.8887 0.0259 0.0057 0.0263 0.220 8.7142 H 20.5609 0.0475 0.0082 0.0477 0.173 9.2408 N 9.0909 0.0210 0.0046 0.0216 0.219 9.2400 H-N 19.8141 0.0339 0.0081 0.0319 0.239 6.8436 面积，K为总孔容，'mes为中孔容，Dv为平均孔径 研磨，使用压片机加压90000Ncm2并持续15min, 由表1数据可知，酸式改性使得煤基活性炭 使其呈现为0.1mm透明薄片状后对其进行测试 BET比表面积和总孔容大幅增加，中孔和微孔都 得到谱图如图2 有明显增加，N2吸附能力增强；碱式改性与酸式改 由图2可见，改性后的煤基活性炭H、N和H-N 性的结果相反，改性后煤基活性炭比表面积和孔 各峰区峰值均高于煤基活性炭1，这说明改性后样 容明显下降，这是因为碱性溶液与煤基活性炭接 品表面官能团均有所增加.在酸式改性后，煤基活 触时放出大量的热，导致材料表面产生灼烧而疏 性炭表面增加了大量的羟基和羧基，高于碱式改 松，使得煤基活性炭的部分微孔结构发生了坍塌 性后的增加量；碱式改性后，煤基活性炭表面增加 或堵塞，样品表面积和总孔容均有所降低 了甲基、亚甲基和部分芳香环；酸碱联合改性较于 2.2煤基活性炭表面官能团表征测试 酸式改性，羧基羟基所对应的峰区峰值相对较低， 傅立叶红外光谱实验，是依据红外光区域出 而甲基、亚甲基和芳香环的振动峰面积较大.煤 现的分子振动光谱、吸收峰的位置和强度变换规 基活性炭的表面官能团可分成3类：碱性、酸性和 律，从而确定物质中存在的化合物和官能团.从光 中性.其中酸性官能团主要包括一OH、一COOH和 谱分析的角度看主要是利用特征吸收谱带的频率 一C=O.对比表面官能团的变化可知：酸式改性增 推断分子中存在某一基团或键，由特征吸收谱带 加了煤基活性炭表面的酸性基团，碱式改性减少 频率的变化推测临近的基团或键，进而确定分子 了煤基活性炭表面的酸性官能团.由于不同种元 的化学结构.本研究使用470FTIR型红外光谱仪， 素形成的官能团存在大小不同的极性，极性基团 将原煤与4种煤基活性炭样品放在鼓风干燥箱 排列顺序为-COOH>-OH>一CH2一>-CH,.可 中，在80℃下通风干燥超过12h后与溴化钾混合 得，煤基活性炭酸式改性后，其表面的极性增大：
面积，Vt 为总孔容，Vmes 为中孔容，DV 为平均孔径. 由表 1 数据可知，酸式改性使得煤基活性炭 BET 比表面积和总孔容大幅增加，中孔和微孔都 有明显增加，N2 吸附能力增强；碱式改性与酸式改 性的结果相反，改性后煤基活性炭比表面积和孔 容明显下降，这是因为碱性溶液与煤基活性炭接 触时放出大量的热，导致材料表面产生灼烧而疏 松，使得煤基活性炭的部分微孔结构发生了坍塌 或堵塞，样品表面积和总孔容均有所降低. 2.2 煤基活性炭表面官能团表征测试 傅立叶红外光谱实验，是依据红外光区域出 现的分子振动光谱、吸收峰的位置和强度变换规 律，从而确定物质中存在的化合物和官能团. 从光 谱分析的角度看主要是利用特征吸收谱带的频率 推断分子中存在某一基团或键，由特征吸收谱带 频率的变化推测临近的基团或键，进而确定分子 的化学结构. 本研究使用 470FTIR 型红外光谱仪， 将原煤与 4 种煤基活性炭样品放在鼓风干燥箱 中，在 80 ℃ 下通风干燥超过 12 h 后与溴化钾混合 研磨，使用压片机加压 90000 N·cm−2 并持续 15 min， 使其呈现为 0.1 mm 透明薄片状后对其进行测试. 得到谱图如图 2. 由图 2 可见，改性后的煤基活性炭 H、N 和 H-N 各峰区峰值均高于煤基活性炭 1，这说明改性后样 品表面官能团均有所增加. 在酸式改性后，煤基活 性炭表面增加了大量的羟基和羧基，高于碱式改 性后的增加量；碱式改性后，煤基活性炭表面增加 了甲基、亚甲基和部分芳香环；酸碱联合改性较于 酸式改性，羧基羟基所对应的峰区峰值相对较低， 而甲基、亚甲基和芳香环的振动峰面积较大. 煤 基活性炭的表面官能团可分成 3 类：碱性、酸性和 中性. 其中酸性官能团主要包括−OH、−COOH 和 −C=O. 对比表面官能团的变化可知：酸式改性增 加了煤基活性炭表面的酸性基团，碱式改性减少 了煤基活性炭表面的酸性官能团. 由于不同种元 素形成的官能团存在大小不同的极性，极性基团 排列顺序为 −COOH >−OH >−CH2− > −CH3 . 可 得，煤基活性炭酸式改性后，其表面的极性增大； 表 1 煤基活性炭的孔隙结构参数 Table 1 Pore parameters of different coal-based activated carbons Sample type code SBET/(m2 ·g−1) Vt//(cm3 ·g−1) Vmic /(cm3 ·g−1) Vmes/(cm3 ·g−1) Vmic/ Vt DV/nm 1 11.8887 0.0259 0.0057 0.0263 0.220 8.7142 H 20.5609 0.0475 0.0082 0.0477 0.173 9.2408 N 9.0909 0.0210 0.0046 0.0216 0.219 9.2400 H-N 19.8141 0.0339 0.0081 0.0319 0.239 6.8436 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 Adsorbing capacity/(mL·g−1 ) 0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 Adsorbing capacity/(mL·g−1 ) Adsorbing capacity/(mL·g−1 ) P/P0 P/P0 Adsorption isotherm Desorption isotherm (a) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 P/P0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 24.0 28.0 32.0 Adsorption isotherm Desorption isotherm (b) 0 Adsorbing capacity/(mL·g−1 ) 4.0 6.0 8.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 0 0 P/P0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Adsorption isotherm Desorption isotherm (c) Adsorption isotherm Desorption isotherm (d) 图 1 煤基活性炭低温液氮吸附脱附等温线. (a) 原始煤基活性炭; (b) 酸式改性煤基活性炭; (c) 碱式改性煤基活性炭; (d) 联合改性煤基活性炭 Fig.1 Liquid N2 adsorption –desorption isotherms of coal-based activated carbons: (a) raw coal-based activated carbon; (b) acid modified coal-based activated carbon; (c) basic modified coal-based activated carbon; (d) combined modified coal-based activated carbon 金龙哲等： 煤基活性炭改性及其甲烷吸附能力 · 3 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 100 (a) 100 (b) 1:t930 IIEZ 20100 EE 6EZ 9 85 168 16 000 3500 3000250020001500 1000 500 4000 3500 3000250020001500 1000 500 Wave number/cm- Wave number/cm- 100 100 (c) (d) 96 7 1老。6850 88 84 C-0H82 8F'8IEZ 80 80 400035003000250020001500 1000 500 40003500 3000250020001500 1000 500 Wave number/cm Wave number/cm 困2煤基活性炭红外光谱谱图.()原始煤基活性炭，(b)酸式改性煤基活性炭；(c)碱式改性煤基活性炭：()联合改性煤基活性炭 Fig.2 FT-IR spectra of coal-based activated carbons:(a)raw coal-based activated carbon;(b)acid modified coal-based activated carbon;(c)basic modified coal-based activated carbon;(d)combined modified coal-based activated carbon 联合改性后，其表面的极性降低 实验压力为0~5MPa的情况下，分别对4种煤基 3煤基活性炭甲烷吸附性能及分析 活性炭样品进行测定，采集瞬时压力点、平衡压力 点，吸附/解吸时间、吸附/解吸量等数据，实验所用 3.1煤基活性炭甲烷吸附性能测试 甲烷气体纯度为99.9999%，进而得到甲烷吸附量 使用3H-2000PH1型全自动高压气体吸附分 随压力的变化.煤基活性炭的甲烷吸附脱附等温 析仪，在实验基准腔与吸附腔温度设定为313.5K, 曲线如图3. n22.0F(a 18.0Fb) 16.0 18.0 14.0 12.0 16.0 10.0 tla 140 8.0 12.0 6.0 10.0 -.-Adsorption isotherm 4.0 --Adsorption isotherm 8.0 --Desorption isotherm 2.0 Desorption isotherm 6.0 0 10.0 20.030.0 40.0 50.0 0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 P/(10s Pa) P/105Pa) 24.0F(c) 20.0 280 16.0 12.0 16.0 12.0 8.0 .-Adsorption isotherm 8.0 4.0 --Adsorption isotherm Desorption isotherm 4.0 --Desorption isotherm 0 10.0 20.030.0 40.0 500 10.0 20.0 30.040.0 50.0 60.0 P/(10 Pa) P/103 Pa) 图3煤基活性炭甲烷吸脱附等温曲线.()原始煤基活性炭；(b)酸式改性煤基活性炭：(c)碱式改性煤基活性炭，（联合改性煤基活性炭 Fig.3 Adsorption-desorption isotherms of coal-based activated carbons:(a)raw coal-based activated carbon;(b)acid modified coal-based activated carbon;(c)basic modified coal-based activated carbon;(d)combined modified coal-based activated carbon 由图3可得，各等温吸附曲线形状相似，甲烷 的增大而上升，当压力达到一定时，吸附量到达最 吸附量表现为：H-N>N>1>H,即联合改性后的煤基 大值，此后随着压力的继续增大，吸附量变化很 活性炭甲烷吸附量最大，且吸附量随着吸附压力 小，与其他学者研究得出的结论相符2-2
联合改性后，其表面的极性降低. 3 煤基活性炭甲烷吸附性能及分析 3.1 煤基活性炭甲烷吸附性能测试 使用 3H-2000PH1 型全自动高压气体吸附分 析仪，在实验基准腔与吸附腔温度设定为 313.5 K， 实验压力为 0～5 MPa 的情况下，分别对 4 种煤基 活性炭样品进行测定，采集瞬时压力点、平衡压力 点，吸附/解吸时间、吸附/解吸量等数据，实验所用 甲烷气体纯度为 99.9999%，进而得到甲烷吸附量 随压力的变化. 煤基活性炭的甲烷吸附脱附等温 曲线如图 3. 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 P/(105 Pa) Adsorption isotherm Desorption isotherm (a) 0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 P/(105 Pa) 0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 P/(105 Pa) 0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 P/(105 Pa) 0 10.0 12.0 6.0 8.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 Adsorption isotherm Desorption isotherm (b) Adsorbing capacity/(mL·g−1 ) Adsorbing capacity/(mL·g−1 ) Adsorbing capacity/(mL·g−1 ) 6.0 8.0 2.0 0 4.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 Adsorbing capacity/(mL·g−1 ) 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 24.0 Adsorption isotherm Desorption isotherm (c) 0 0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 24.0 28.0 Adsorption isotherm Desorption isotherm (d) 图 3 煤基活性炭甲烷吸脱附等温曲线. (a) 原始煤基活性炭; (b) 酸式改性煤基活性炭; (c) 碱式改性煤基活性炭; (d) 联合改性煤基活性炭 Fig.3 Adsorption –desorption isotherms of coal-based activated carbons: (a) raw coal-based activated carbon; (b) acid modified coal-based activated carbon; (c) basic modified coal-based activated carbon; (d) combined modified coal-based activated carbon 由图 3 可得，各等温吸附曲线形状相似，甲烷 吸附量表现为：H-N>N>1>H，即联合改性后的煤基 活性炭甲烷吸附量最大，且吸附量随着吸附压力 的增大而上升，当压力达到一定时，吸附量到达最 大值，此后随着压力的继续增大，吸附量变化很 小，与其他学者研究得出的结论相符[23−24] . 4000 3790.96 3621.25 3725.31 3586.84 2840.12 2318.48 1733.52 1575.67 1456.05 1271.75 1034.01 876.75 548.71 2863.31 2311.73 1854.77 1701.02 1441.90 1239.33 878.20 669.27 554.14 3703.62 1878.12 1733.95 1576.45 1344.00 1043.03 823.39 669.20 445.38 3587.15 2891.43 2311.73 100 (a) (b) (c) (d) 96 92 88 84 80 76 3500 3000 2500 2000 Wave number/cm−1 Transmittance/ % 100 96 92 88 84 80 Transmittance/ % 100 96 92 88 84 80 Transmittance/ % 100 97 94 91 88 85 82 Transmittance/ % 1500 1000 500 4000 3500 3000 2500 2000 Wave number/cm−1 1500 1000 500 4000 3500 3000 2500 2000 Wave number/cm−1 1500 1000 500 4000 3789.21 3682.77 3601.12 3438.92 2750.37 2323.68 1855.18 1701.08 1576.40 1482.60 1042.92 617.39 496.53 3500 3000 2500 2000 Wave number/cm−1 1500 1000 500 图 2 煤基活性炭红外光谱谱图. (a) 原始煤基活性炭; (b) 酸式改性煤基活性炭; (c) 碱式改性煤基活性炭; (d) 联合改性煤基活性炭 Fig.2 FT-IR spectra of coal-based activated carbons: (a) raw coal-based activated carbon; (b) acid modified coal-based activated carbon; (c) basic modified coal-based activated carbon; (d) combined modified coal-based activated carbon · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期