煤基活性炭改性甲烷吸附能力

   国际纯化学与应用化学学会（IUPAC）将活性 炭的孔分为大孔（>50 nm）、中孔（2～50 nm）及微 孔（<2 nm）3 类，在改性过程中，碳原子一直被消 耗，煤基活性炭孔隙进一步发育，生成更多微孔. 甲烷在煤体中的吸附与扩散主要发生在微孔中， 而微孔属于纳米级孔径，所以煤对甲烷的吸附能 力与纳米级孔隙结构密切相关. 结合图 1 和表 1， 对比分析煤基活性炭孔隙结构的改变对于甲烷吸 附的影响，可知：酸式改性后，煤基活性炭 BET 比表面积、总孔容与微孔孔容均有明显增加，而甲 烷吸附量却明显下降；碱式改性后，煤基活性炭 BET 比表面积、总孔容与微孔孔容均减少，而甲烷 吸附量却有所增加 ；联合改性后 ，煤基活性 炭 BET 比表面积、总孔容与微孔孔容均减少，甲烷吸 附量却明显增加. 分析以上结果可以得出，存在其 他因素的改变造成了对甲烷吸附的抑制作用，且 在一定条件下这种抑制作用要强于孔隙增加对甲 烷吸附能力的促进作用. 

1. 表面官能团对甲烷吸附的影响 由于煤基活性炭本身孔隙结构改变，处于开 放状态，导致在改性过程中煤基活性炭表面生成 了更多含氧官能团，其总量多于改性后的原生结 构煤基活性炭. 酸式改性后，含氧官能团对甲烷的影响要大 于孔隙结构与比表面积的作用. 红外光谱结果表 明，改性后煤基活性炭表面极性官能团数量明显 增加，不利于非极性气体甲烷的吸附. 结合甲烷吸 附量变化可发现，羧基与羟基对甲烷吸附的抑制 作用最明显. 郇璇[27] 研究表明，酸性含氧官能团 为吸电子基团，表面含量增加后，活性炭与吸附质 之间作用降低，甲烷的有效吸附位降低，会造成吸 附量降低，与本研究结果一致. 碱性改性虽然造成塌孔和堵塞，微孔和中孔 的数量均下降，比表面积相应减少，但煤基活性炭 表面酸性官能团减少，表面极性基团减少. 这种改 变抵消了孔隙变化的抑制作用，因此对于甲烷的 吸附整体表现为促进作用. 可以看出，改性后官能 团的变化对甲烷吸附的影响要大于孔隙结构改变 的作用. 在联合改性过程中，酸式改性使得煤基活性 炭表面孔隙增加，对甲烷吸附有一定的促进作用. 随后碱式改性使得煤基活性炭表面极性降低，煤基活性炭表面非极性相对增大，甲烷吸附量明显 增加. 故联合改性后，煤基活性炭比表面积和微孔 都增大了，且表面非极性基团数量也相对较少，对 甲烷吸附整体表现为促进作用. 
   

2.  结论 （1）酸式改性后的煤基活性炭表面极性增强； 碱式改性后的煤基活性炭，酸性基团含量减少，表 面非极性增强. （2）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%；非极性官能团增加，甲烷吸附量显著 增加，相较于改性前提升 25.686%，且吸附量大于 单一的酸式改性或碱式改性的煤基活性炭. （3）孔隙结构和表面官能团共同决定了煤基 活性炭对甲烷的吸附作用，其中表面官能团的种 类和数量是影响主要原因，孔隙结构是次要原因.