煤对CO的吸附及其影响因素分析

齐艺裴，李孟倩，许慎，刘康

(华北理工大学 矿业学院，河北 唐山，063009)



煤对CO的吸附及其影响因素分析

齐艺裴，李孟倩，许慎，刘康

(华北理工大学 矿业学院，河北 唐山，063009)

煤；CO ；物理吸附；化学吸附

近年来，随着对煤与气体关系的深入研究，发现煤层中不仅含有CH4还含有CO。通过对不同温度压力下煤吸附CO的实验分析，发现温度增加煤对CO的物理吸附量增加，压力增加煤对CO的物理和化学吸附量均增加；低变质和高变质程度煤对CO物理吸附量比较大。在煤、温度、压力三者耦合作用下，开采过程中煤层CO向外扩散量少，而采空区中CO浓度大。

0 引言

气体分子在固体表面的吸附机理极为复杂，包含化学吸附和物理吸附。物理吸附是由范德华力引起的气体分子在固体表面及孔隙中的冷凝过程[1-2]。大部分气体在固体表面都存在物理吸附。化学吸附是气体分子与材料表面的化学键结合过程。化学吸附是选择性吸附，一般一氧化碳、氢气、氧气在固体表面容易形成化学吸附。

近年来，随着对煤炭的深入研究，人们发现煤层中不仅含有CH4还含有CO[3-4]。CO与煤间既有物理吸附又有化学吸附，但不同吸附间的关系如何，煤对CO吸附的变化规律是什么，还没有得到明确的结论。该项目通过实验，从理论上研究煤对CO的吸附及影响因素。

1 煤样选取

该项目从全国典型矿山选取了6种不同变质程度的煤样，所选煤样变质程度及编号如表1所示。

表1 煤样编号

注：煤的变质程度，按煤样编号从低到高排列。

2 吸附实验

对煤样加工处理后，利用康塔吸附仪，对煤样在30 ℃、50 ℃、70 ℃下做物理化学吸附实验，得到煤对CO的物理和化学吸附等温线。

2.1 物理吸附等温线

物理吸附是由范德华力引起的具有可逆性，一旦条件发生变化以物理吸附形式存在的CO容易散发出来。研究物理吸附的意义在于分析CO释放的难易程度。

通过实验做出的物理吸附等温线如图1所示。

图1 不同温度下CO物理吸附等温线

从图1中可以看出，煤对CO的物理吸附量随变质程度的增加呈先减小后增加的趋势，低变质和高变质程度煤的CO物理吸附量是中等变质煤的2倍多[5]。

CO物理吸附量随温度的增加而降低，随压力的增加而升高[6-8]。在掘进前，煤处于高温高压下煤对CO的吸附量小，当煤层揭开后，煤层温度压力降低，煤吸附的CO量增加，这就减少了煤层向外扩散的CO量，这是对安全生产有利的一面，同时也是煤层中含有CO现象至今发现比较晚的原因。

采空区中，煤层起初处于低温低压下，随着时间的推移，松散的煤屑由于自身氧化作用，发生热量积聚，压力也略有升高，一方面煤经过氧化作用生成CO，另一方面，温度压力的增加使煤中物理吸收的CO释放，导致CO含量升高。这也验证了以往单纯以CO作为煤层自然发火标志气体的不准确性。

2.2 化学吸附等温线

煤与CO间通过化学键结合形成化学吸附，吸附力较大，相对稳定。对化学吸附性的研究能够完整分析煤对CO的吸附量，寻求促进化学吸附的方法，减少CO的涌出。

通过实验做出的化学吸附等温线图如图2所示：

从图2中可以看出，煤的变质程度对化学吸附的影响比较小。压力促进化学吸附反应，因此随压力升高30 ℃、50 ℃的煤对CO的化学吸附量增加，而70 ℃时变化无规律，这可能是由于高温一方面促进化学反应，另一方面使化学分解加快，再加上压力的作用，使反应更加复杂。

低温时煤对CO的化学吸附受压力的影响大，高温时，煤对CO的吸附变化比较复杂。由于受到压力作用CO与煤发生大量的化学吸附作用，这种作用降低了煤矿中CO的含量。

3 化学物理吸附比

煤对CO的化学吸附量与物理吸附量之比代表各吸附形式所占比重。煤的变质程度和温度对吸附比有重要影响，三者关系如图3所示：

从图3中可以看出，随变质程度的增加，化学吸附量与物理吸附量之比先增加后降低，说明中等变质程度煤对CO化学吸附量相对较大。

低温时化学吸附量比较少，最高时比例为1:10。随着温度的增加，化学吸附量对物理吸附量的比重越来越大，最高时为3:10，是低温时比例的3倍，说明温度对化学吸附的影响更大些。所以，随着开采深度的增加，井下温度升高，将会使煤对CO的化学吸附的比重增加，这将有利于煤矿开采的进行。

4 结论

(1) 低变质和高变质程度煤矿井中，CO物理吸附量比较大，而中等变质程度的煤的化学吸附比重较大。

(2) 温度增加，则煤对CO的物理吸附量增加，化学和物理吸附量之比增大；压力增加，则煤对CO的物理和化学吸附量均增加。

(3) CO与煤、温度、压力之间化学吸附作用，使煤层开采过程中CO向外扩散量少，采空区CO浓度大。

[1] 刘振全,侯瑞波,张中诚.吸附机理及吸附式制冷分析[J].兰州理工大学学报,2001,27(4):48-50.

[2] 程伟.应用层状硅酸盐矿物制备多孔材料及其吸附性能研究[D].长沙:中南大学,2011.

[3] 王月红.煤层中一氧化碳吸附规律及影响因素研究[D].唐山:河北理工大学,2006.

[4] 齐艺裴.煤微观结构对赋存一氧化碳的影响[D].唐山:河北联合大学,2013.

[5] 郭立稳,王月红,张九零.煤的变质程度与煤层吸附CO影响的实验研究[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2007,26(2):165- 168.

[6] 肖藏岩,煤层中一氧化碳的动力学研究[D].唐山:河北理工大学,2007.

[7] 李政.东营凹陷页岩气勘探潜力初步评价[D].成都:成都理工大学,2011.

[8] 刘学贵,邵红,王恩德.煤层气开发与利用-甲烷气体吸附剂的研究进展[J].矿产综合利用,2007,2(1),36-38.

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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