煤巖特征與活性炭質量關系研究

＊吳天才 陳蓉 余秀冠

（寧夏回族自治區煤炭地質局 寧夏 750002）

引言

活性炭是具有發達的孔隙結構、比表面積大、選擇吸附能力強的碳材料，目前已廣泛應用于軍工、化工、食品、輕工、醫藥、制藥、環保和水處理等工業和生活的各個方面，其用量在近20年來以每年約3%～5%的速度遞增。其中，以煤為原料生產的活性炭由于來源廣泛、品種多、價格相對低廉，因而在活性炭總生產量中所占比重不斷遞增[1-4]。

煤基活性炭，是以煤炭為原材料，經過磨粉、成型、炭化、活化后形成的多孔性材料，可用于制備活性炭的煤種有無煙煤、煙煤中的不粘煤和弱粘結煤、褐煤等。煤基活性炭的結構和性能在很大程度上取決于原料煤的性質，而原料煤的性質在很大程度上決定于煤巖特征。相關研究表明，以不同煤種或同一煤種中不同化學性質的顯微組分為原料所制活性炭的結構及性能差別很大[5-7]。

本文通過分析寧夏煤類分布和煤礦的實際生產情況，選擇汝箕溝礦區的無煙煤、馬家灘礦區和王洼礦區的不粘煤制備活性炭，通過分析原料煤煤巖特征及相應的活性炭的質量性能，研究原料煤的煤巖特征與活性炭質量關系[8-9]。

1.試驗方法

(1)原料煤采集

汝箕溝礦區大峰露天煤礦治理區和馬家灘礦區金鳳煤礦從露天煤堆上采樣，其余從煤礦坑口采樣；王洼礦區王洼二礦和銀洞溝煤礦采取了多煤層混合煤樣，其余煤礦采取單一煤層煤樣；采樣時選取新鮮塊煤，共采取8件煤樣，采樣重量在25kg以上。

(2)顯微煤巖組分分析

采取的煤樣經過制備，在實驗室顯微鏡下用反射光法觀察煤的光片，依據煤的形態特征和光學性質研究顯微煤巖組分[10]。

(3)活性炭制備及性能測試

活性炭制備使用小試活化一體爐、小型液壓機成型設備、小型捏合設備和水蒸氣發生器等設備，馬家灘礦區和王洼礦區的不粘煤制備了破碎活性炭；汝箕溝礦區的無煙煤制備了柱狀活性炭，為對比需要，其中一個無煙煤樣也制備破碎活性炭[11]。

根據活性炭的主要性質和用途，選取碘吸附值和亞甲基藍吸附值等兩項指標作為本次活性炭質量檢測參數[12-13]。

2.試驗結果

(1)顯微煤巖組分

本次研究煤巖組分樣品測試結果見圖1、表1。

表1 本次研究煤巖組分樣品測試結果表

圖1 本次研究煤巖組分樣品測試結果對比圖

根據測試結果，各礦區有機組分、無機組分含量總體相差不大，有機組分含量一般在95%以上，汝箕溝礦區較其他礦區略高，王洼礦區最低。

有機組分中，各礦區均以鏡質組為主，其中汝箕溝礦區鏡質組含量最大，接近90%，其他礦區一般低于75%；而惰質組和殼質組含量大小正好相反。

無機組分中，王洼礦區黏土類、硫化鐵類、碳酸鹽類、氧化硅類均略高于其他兩個礦區，汝箕溝礦區最低。

(2)活性炭質量特征

①測試結果及校正

本次在制備活性炭時，汝箕溝礦區的一個無煙煤樣（汝-3）同時制備了破碎活性炭和柱狀活性炭，在進行測試結果對比分析時，根據相同煤樣破碎活性炭與柱狀活性炭測試值的倍數關系，對所有柱狀活性炭的測試數據以相同倍數進行校正。

活性炭質量測試及校正結果見表2。

表2 本次制備活性炭質量測試及校正結果表

②活性炭質量特征評述

本次煤樣制備的活性炭測試參數為碘吸附值和亞甲藍吸附值，測試結果相對大小見圖2。

圖2 本次活性炭質量測試結果對比圖（各參數之間不依比例）

活性炭碘吸附值的大小與活性炭微孔的多少具有相關性，碘吸附值是活性炭對小分子雜質吸附能力的表現[4]。根據測試數據，王洼礦區不粘煤制備的活性炭碘吸附值最高，馬家灘礦區不粘煤制備的活性炭碘吸附值最低。因此，王洼礦區不粘煤制備的活性炭微孔最多，金鳳煤礦不粘煤制備的活性炭微孔最少。

活性炭亞甲藍吸附值的大小表征活性炭中微孔的發育程度[4]。王洼礦區不粘煤制備的活性炭亞甲藍吸附值最高，馬家灘礦區不粘煤和汝箕溝礦區無煙煤制備的活性炭亞甲藍吸附值相差不大。因此，王洼礦區不粘煤制備的活性炭中孔最多，馬家灘礦區不粘煤和汝箕溝礦區無煙煤制備的活性炭中孔較少。

3.煤巖特征與活性炭質量關系分析

對于同一樣品，有機組分、無機組分、鏡質組、惰質組和殼質組含量大小是相對的。本次研究在對比有機組分、無機組分與活性炭質量關系時以樣品的顯微組分為基數，在對比分析鏡質組、惰質組和殼質組含量時以有機組分含量為基數。

(1)有機組分、無機組分與活性炭質量關系

原料煤的有機組分含量在95%左右時，活性炭的碘吸附值達到最大，而亞甲藍吸附值最小（見圖3、圖4）。

圖3 有機組分含量與活性炭質量關系圖

因此，煤炭有機組分在95%左右時，制備的活性炭微孔最發育，而隨著煤炭有機組分的升高或降低，其制備的活性炭微孔減少，中孔增加。相對應，煤炭無機組分在5%左右時，制備的活性炭微孔最發育，而隨著煤炭無機組分的升高或降低，其制備的活性炭微孔減少，中孔增加。

(2)鏡質組、惰質組和殼質組與活性炭質量關系

有機組分的鏡質組含量在83%左右時，活性炭的碘吸附值最小，而亞甲藍吸附值達到最大（見圖4）。

圖4 鏡質組含量與活性炭質量關系圖

因此，有機組分的鏡質組在83%左右時，制備的活性炭中孔最發育，隨著煤炭鏡質組的升高或降低，其制備的活性炭中孔減少，微孔增加。

有機組分的惰質組含量在17%左右時，活性炭的碘吸附值最小，而亞甲藍吸附值隨惰質組含量的增加略有增大（見圖5）。

圖5 惰質組含量與活性炭質量關系圖

因此，有機組分的惰質組在17%左右時，制備的活性炭中孔最發育，隨著煤炭惰質組的升高或降低，其制備的活性炭中孔減少，微孔增加。

有機組分的殼質組含量在0.5%時，活性炭的碘吸附值最小，亞甲藍吸附值也最小（見圖6）。

圖6 殼質組含量與活性炭質量關系圖

因此，有機組分的殼質組含量大于0.5%時，隨著殼質組的升高，其制備的活性炭中孔和微孔均有所增加，且中孔增加更快。

4.結論

通過研究分析認為，活性炭的質量性能與原料煤顯微煤巖組分有直接關系。

（1）有機組分含量是活性炭孔隙結構和孔隙數量的決定性因素，當無機組分含量大于5%時，無機組分對活性炭吸附性能產生的影響逐漸加大。

（2）鏡質組和惰質組均能夠生成微孔和中孔，微孔主要由鏡質組生成，中孔主要由惰質組生成；鏡質組與惰質組含量之比約為5:1時，制備的活性炭中孔最發育，當二者之比偏離此值，制備的活性炭中孔減少，微孔增加。

（3）寧夏煤炭中殼質組含量少，當殼質組含量大于0.5%時，會對活性炭的孔隙結構和數量產生影響。