齊藝裴，李孟倩，許慎，劉康

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，河北 唐山，063009)

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煤對(duì)CO的吸附及其影響因素分析

齊藝裴，李孟倩，許慎，劉康

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，河北 唐山，063009)

煤；CO ；物理吸附；化學(xué)吸附

近年來，隨著對(duì)煤與氣體關(guān)系的深入研究，發(fā)現(xiàn)煤層中不僅含有CH4還含有CO。通過對(duì)不同溫度壓力下煤吸附CO的實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)溫度增加煤對(duì)CO的物理吸附量增加，壓力增加煤對(duì)CO的物理和化學(xué)吸附量均增加；低變質(zhì)和高變質(zhì)程度煤對(duì)CO物理吸附量比較大。在煤、溫度、壓力三者耦合作用下，開采過程中煤層CO向外擴(kuò)散量少，而采空區(qū)中CO濃度大。

0 引言

氣體分子在固體表面的吸附機(jī)理極為復(fù)雜，包含化學(xué)吸附和物理吸附。物理吸附是由范德華力引起的氣體分子在固體表面及孔隙中的冷凝過程[1-2]。大部分氣體在固體表面都存在物理吸附。化學(xué)吸附是氣體分子與材料表面的化學(xué)鍵結(jié)合過程。化學(xué)吸附是選擇性吸附，一般一氧化碳、氫氣、氧氣在固體表面容易形成化學(xué)吸附。

近年來，隨著對(duì)煤炭的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)煤層中不僅含有CH4還含有CO[3-4]。CO與煤間既有物理吸附又有化學(xué)吸附，但不同吸附間的關(guān)系如何，煤對(duì)CO吸附的變化規(guī)律是什么，還沒有得到明確的結(jié)論。該項(xiàng)目通過實(shí)驗(yàn)，從理論上研究煤對(duì)CO的吸附及影響因素。

1 煤樣選取

該項(xiàng)目從全國典型礦山選取了6種不同變質(zhì)程度的煤樣，所選煤樣變質(zhì)程度及編號(hào)如表1所示。

表1 煤樣編號(hào)

注：煤的變質(zhì)程度，按煤樣編號(hào)從低到高排列。

2 吸附實(shí)驗(yàn)

對(duì)煤樣加工處理后，利用康塔吸附儀，對(duì)煤樣在30 ℃、50 ℃、70 ℃下做物理化學(xué)吸附實(shí)驗(yàn)，得到煤對(duì)CO的物理和化學(xué)吸附等溫線。

2.1 物理吸附等溫線

物理吸附是由范德華力引起的具有可逆性，一旦條件發(fā)生變化以物理吸附形式存在的CO容易散發(fā)出來。研究物理吸附的意義在于分析CO釋放的難易程度。

通過實(shí)驗(yàn)做出的物理吸附等溫線如圖1所示。

圖1 不同溫度下CO物理吸附等溫線

從圖1中可以看出，煤對(duì)CO的物理吸附量隨變質(zhì)程度的增加呈先減小后增加的趨勢，低變質(zhì)和高變質(zhì)程度煤的CO物理吸附量是中等變質(zhì)煤的2倍多[5]。

CO物理吸附量隨溫度的增加而降低，隨壓力的增加而升高[6-8]。在掘進(jìn)前，煤處于高溫高壓下煤對(duì)CO的吸附量小，當(dāng)煤層揭開后，煤層溫度壓力降低，煤吸附的CO量增加，這就減少了煤層向外擴(kuò)散的CO量，這是對(duì)安全生產(chǎn)有利的一面，同時(shí)也是煤層中含有CO現(xiàn)象至今發(fā)現(xiàn)比較晚的原因。

采空區(qū)中，煤層起初處于低溫低壓下，隨著時(shí)間的推移，松散的煤屑由于自身氧化作用，發(fā)生熱量積聚，壓力也略有升高，一方面煤經(jīng)過氧化作用生成CO，另一方面，溫度壓力的增加使煤中物理吸收的CO釋放，導(dǎo)致CO含量升高。這也驗(yàn)證了以往單純以CO作為煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體的不準(zhǔn)確性。

2.2 化學(xué)吸附等溫線

煤與CO間通過化學(xué)鍵結(jié)合形成化學(xué)吸附，吸附力較大，相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)化學(xué)吸附性的研究能夠完整分析煤對(duì)CO的吸附量，尋求促進(jìn)化學(xué)吸附的方法，減少CO的涌出。

通過實(shí)驗(yàn)做出的化學(xué)吸附等溫線圖如圖2所示：

從圖2中可以看出，煤的變質(zhì)程度對(duì)化學(xué)吸附的影響比較小。壓力促進(jìn)化學(xué)吸附反應(yīng)，因此隨壓力升高30 ℃、50 ℃的煤對(duì)CO的化學(xué)吸附量增加，而70 ℃時(shí)變化無規(guī)律，這可能是由于高溫一方面促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，另一方面使化學(xué)分解加快，再加上壓力的作用，使反應(yīng)更加復(fù)雜。

低溫時(shí)煤對(duì)CO的化學(xué)吸附受壓力的影響大，高溫時(shí)，煤對(duì)CO的吸附變化比較復(fù)雜。由于受到壓力作用CO與煤發(fā)生大量的化學(xué)吸附作用，這種作用降低了煤礦中CO的含量。

3 化學(xué)物理吸附比

煤對(duì)CO的化學(xué)吸附量與物理吸附量之比代表各吸附形式所占比重。煤的變質(zhì)程度和溫度對(duì)吸附比有重要影響，三者關(guān)系如圖3所示：

從圖3中可以看出，隨變質(zhì)程度的增加，化學(xué)吸附量與物理吸附量之比先增加后降低，說明中等變質(zhì)程度煤對(duì)CO化學(xué)吸附量相對(duì)較大。

低溫時(shí)化學(xué)吸附量比較少，最高時(shí)比例為1:10。隨著溫度的增加，化學(xué)吸附量對(duì)物理吸附量的比重越來越大，最高時(shí)為3:10，是低溫時(shí)比例的3倍，說明溫度對(duì)化學(xué)吸附的影響更大些。所以，隨著開采深度的增加，井下溫度升高，將會(huì)使煤對(duì)CO的化學(xué)吸附的比重增加，這將有利于煤礦開采的進(jìn)行。

4 結(jié)論

(1) 低變質(zhì)和高變質(zhì)程度煤礦井中，CO物理吸附量比較大，而中等變質(zhì)程度的煤的化學(xué)吸附比重較大。

(2) 溫度增加，則煤對(duì)CO的物理吸附量增加，化學(xué)和物理吸附量之比增大；壓力增加，則煤對(duì)CO的物理和化學(xué)吸附量均增加。

(3) CO與煤、溫度、壓力之間化學(xué)吸附作用，使煤層開采過程中CO向外擴(kuò)散量少，采空區(qū)CO濃度大。

[1] 劉振全,侯瑞波,張中誠.吸附機(jī)理及吸附式制冷分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,27(4):48-50.

[2] 程偉.應(yīng)用層狀硅酸鹽礦物制備多孔材料及其吸附性能研究[D].長沙:中南大學(xué),2011.

[3] 王月紅.煤層中一氧化碳吸附規(guī)律及影響因素研究[D].唐山:河北理工大學(xué),2006.

[4] 齊藝裴.煤微觀結(jié)構(gòu)對(duì)賦存一氧化碳的影響[D].唐山:河北聯(lián)合大學(xué),2013.

[5] 郭立穩(wěn),王月紅,張九零.煤的變質(zhì)程度與煤層吸附CO影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,26(2):165- 168.

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Analysis of CO Adsorption in Coal and Its Influence Factors

QI Yi-pei, LI Meng-qian, XU Shen, LIU Kang

(College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

coal; CO; physical adsorption; chemical adsorption

In recent years, with the deepening research of coal and gases, it is found that CO is also contained besides CH4in coal seam. Through series of CO adsorption experiments under different temperature and pressure about coal, it is found that CO physical adsorption amount is increased with the increase of temperature, and the amount physical CO and chemical adsorption is increased with the increase of pressure. The adsorption of low metamorphic coal and high metamorphic coal of CO physical is larger. Due to the interaction among coal, temperature and pressure, the diffusion amount of CO is less, and the concentration of CO in mined-out area is larger.

2095-2716(2017)01-0024-05

TD821

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