煤岩特征与活性炭质量关系研究

＊吴天才 陈蓉 余秀冠

（宁夏回族自治区煤炭地质局 宁夏 750002）

引言

活性炭是具有发达的孔隙结构、比表面积大、选择吸附能力强的碳材料，目前已广泛应用于军工、化工、食品、轻工、医药、制药、环保和水处理等工业和生活的各个方面，其用量在近20年来以每年约3%～5%的速度递增。其中，以煤为原料生产的活性炭由于来源广泛、品种多、价格相对低廉，因而在活性炭总生产量中所占比重不断递增[1-4]。

煤基活性炭，是以煤炭为原材料，经过磨粉、成型、炭化、活化后形成的多孔性材料，可用于制备活性炭的煤种有无烟煤、烟煤中的不粘煤和弱粘结煤、褐煤等。煤基活性炭的结构和性能在很大程度上取决于原料煤的性质，而原料煤的性质在很大程度上决定于煤岩特征。相关研究表明，以不同煤种或同一煤种中不同化学性质的显微组分为原料所制活性炭的结构及性能差别很大[5-7]。

本文通过分析宁夏煤类分布和煤矿的实际生产情况，选择汝箕沟矿区的无烟煤、马家滩矿区和王洼矿区的不粘煤制备活性炭，通过分析原料煤煤岩特征及相应的活性炭的质量性能，研究原料煤的煤岩特征与活性炭质量关系[8-9]。

1.试验方法

(1)原料煤采集

汝箕沟矿区大峰露天煤矿治理区和马家滩矿区金凤煤矿从露天煤堆上采样，其余从煤矿坑口采样；王洼矿区王洼二矿和银洞沟煤矿采取了多煤层混合煤样，其余煤矿采取单一煤层煤样；采样时选取新鲜块煤，共采取8件煤样，采样重量在25kg以上。

(2)显微煤岩组分分析

采取的煤样经过制备，在实验室显微镜下用反射光法观察煤的光片，依据煤的形态特征和光学性质研究显微煤岩组分[10]。

(3)活性炭制备及性能测试

活性炭制备使用小试活化一体炉、小型液压机成型设备、小型捏合设备和水蒸气发生器等设备，马家滩矿区和王洼矿区的不粘煤制备了破碎活性炭；汝箕沟矿区的无烟煤制备了柱状活性炭，为对比需要，其中一个无烟煤样也制备破碎活性炭[11]。

根据活性炭的主要性质和用途，选取碘吸附值和亚甲基蓝吸附值等两项指标作为本次活性炭质量检测参数[12-13]。

2.试验结果

(1)显微煤岩组分

本次研究煤岩组分样品测试结果见图1、表1。

表1 本次研究煤岩组分样品测试结果表

图1 本次研究煤岩组分样品测试结果对比图

根据测试结果，各矿区有机组分、无机组分含量总体相差不大，有机组分含量一般在95%以上，汝箕沟矿区较其他矿区略高，王洼矿区最低。

有机组分中，各矿区均以镜质组为主，其中汝箕沟矿区镜质组含量最大，接近90%，其他矿区一般低于75%；而惰质组和壳质组含量大小正好相反。

无机组分中，王洼矿区黏土类、硫化铁类、碳酸盐类、氧化硅类均略高于其他两个矿区，汝箕沟矿区最低。

(2)活性炭质量特征

①测试结果及校正

本次在制备活性炭时，汝箕沟矿区的一个无烟煤样（汝-3）同时制备了破碎活性炭和柱状活性炭，在进行测试结果对比分析时，根据相同煤样破碎活性炭与柱状活性炭测试值的倍数关系，对所有柱状活性炭的测试数据以相同倍数进行校正。

活性炭质量测试及校正结果见表2。

表2 本次制备活性炭质量测试及校正结果表

②活性炭质量特征评述

本次煤样制备的活性炭测试参数为碘吸附值和亚甲蓝吸附值，测试结果相对大小见图2。

图2 本次活性炭质量测试结果对比图（各参数之间不依比例）

活性炭碘吸附值的大小与活性炭微孔的多少具有相关性，碘吸附值是活性炭对小分子杂质吸附能力的表现[4]。根据测试数据，王洼矿区不粘煤制备的活性炭碘吸附值最高，马家滩矿区不粘煤制备的活性炭碘吸附值最低。因此，王洼矿区不粘煤制备的活性炭微孔最多，金凤煤矿不粘煤制备的活性炭微孔最少。

活性炭亚甲蓝吸附值的大小表征活性炭中微孔的发育程度[4]。王洼矿区不粘煤制备的活性炭亚甲蓝吸附值最高，马家滩矿区不粘煤和汝箕沟矿区无烟煤制备的活性炭亚甲蓝吸附值相差不大。因此，王洼矿区不粘煤制备的活性炭中孔最多，马家滩矿区不粘煤和汝箕沟矿区无烟煤制备的活性炭中孔较少。

3.煤岩特征与活性炭质量关系分析

对于同一样品，有机组分、无机组分、镜质组、惰质组和壳质组含量大小是相对的。本次研究在对比有机组分、无机组分与活性炭质量关系时以样品的显微组分为基数，在对比分析镜质组、惰质组和壳质组含量时以有机组分含量为基数。

(1)有机组分、无机组分与活性炭质量关系

原料煤的有机组分含量在95%左右时，活性炭的碘吸附值达到最大，而亚甲蓝吸附值最小（见图3、图4）。

图3 有机组分含量与活性炭质量关系图

因此，煤炭有机组分在95%左右时，制备的活性炭微孔最发育，而随着煤炭有机组分的升高或降低，其制备的活性炭微孔减少，中孔增加。相对应，煤炭无机组分在5%左右时，制备的活性炭微孔最发育，而随着煤炭无机组分的升高或降低，其制备的活性炭微孔减少，中孔增加。

(2)镜质组、惰质组和壳质组与活性炭质量关系

有机组分的镜质组含量在83%左右时，活性炭的碘吸附值最小，而亚甲蓝吸附值达到最大（见图4）。

图4 镜质组含量与活性炭质量关系图

因此，有机组分的镜质组在83%左右时，制备的活性炭中孔最发育，随着煤炭镜质组的升高或降低，其制备的活性炭中孔减少，微孔增加。

有机组分的惰质组含量在17%左右时，活性炭的碘吸附值最小，而亚甲蓝吸附值随惰质组含量的增加略有增大（见图5）。

图5 惰质组含量与活性炭质量关系图

因此，有机组分的惰质组在17%左右时，制备的活性炭中孔最发育，随着煤炭惰质组的升高或降低，其制备的活性炭中孔减少，微孔增加。

有机组分的壳质组含量在0.5%时，活性炭的碘吸附值最小，亚甲蓝吸附值也最小（见图6）。

图6 壳质组含量与活性炭质量关系图

因此，有机组分的壳质组含量大于0.5%时，随着壳质组的升高，其制备的活性炭中孔和微孔均有所增加，且中孔增加更快。

4.结论

通过研究分析认为，活性炭的质量性能与原料煤显微煤岩组分有直接关系。

（1）有机组分含量是活性炭孔隙结构和孔隙数量的决定性因素，当无机组分含量大于5%时，无机组分对活性炭吸附性能产生的影响逐渐加大。

（2）镜质组和惰质组均能够生成微孔和中孔，微孔主要由镜质组生成，中孔主要由惰质组生成；镜质组与惰质组含量之比约为5:1时，制备的活性炭中孔最发育，当二者之比偏离此值，制备的活性炭中孔减少，微孔增加。

（3）宁夏煤炭中壳质组含量少，当壳质组含量大于0.5%时，会对活性炭的孔隙结构和数量产生影响。