01 摘要
催化活化法调节活性炭孔结构的效果受催化剂分散状态的影响。论文分别采用球磨法、离子交换法和纳米颗粒原位合成法将Fe系化合物引入煤粉，经压块、炭化、CO2活化制备活性炭；利用热重分析仪模拟煤的炭化过程和炭化料的活化过程，采用X射线衍射仪表征炭化料和活性炭的微晶结构、鉴别Fe系物质的存在形式，采用高分辨透射电子显微镜分析Fe系添加剂分布状态和对孔结构发育的影响，采用低温N2吸脱附表征了活性炭的孔结构，并测试了活性炭的亚甲蓝值和焦糖脱色率。结果表明：1）离子交换法对炭化料的活化反应性影响较小，但显著提高了活性炭的比表面积和微孔孔容，分别由对比样的890.96 m2/g和0.269 cm3/g提升至1071.17 m2/g和0.323 cm3/g，平均孔径由2.19 nm降低至1.40 nm；2）球磨法和原位合成法向活性炭中引入了30-40nm的Fe3O4纳米颗粒，加速了活化反应，显著提高了中孔孔容和中孔率，其中原位合成法的Fe3O4纳米颗粒分布更加均匀，中孔孔容达到了0.513 cm3/g；3）三种方法制备的活性炭吸附性能都达到了较高水平，其中采用离子交换法、微孔强化的活性炭亚甲蓝值达到287.98 mg/g，而球磨法和原位合成法制备的活性炭焦糖脱色率达到了96%以上；4）上述三种方法均能向低阶烟煤中引入Fe元素，Fe元素在炭化活化过程中均遵循Fen+→Fe→Fe3O4转变历程，且活化气体CO2优先在Fe系颗粒周围发生选择性氧化反应。纳米颗粒分散状态的Fe可在一定程度上调控活性炭的孔结构。
02 创新点
催化活化法是目前为数不多的适用于煤基柱状/压块活性炭工业化生产，优化活性炭孔隙分布的有效手段之一。所谓催化活化法，即在原料煤处理阶段，将具有催化活性的金属元素（Fe、Ca等）添加至煤粉中，使其在活化阶段作为活性位点催化气化反应，从而改变活性炭的孔结构特征。在具体实施过程中，添加剂加入方式对孔结构发育影响较大，本文工作围绕这一问题展开，深入探讨了添加剂引入方法对活性炭孔结构的影响规律。研究成果为煤基活性炭工业化生产过程中的孔结构调控提供了理论依据和数据支撑。
取得的主要成果如下：
（1）Fe催化剂对于活性炭的孔结构调节效果的差异取决于炭化料中Fe纳米颗粒的分散状态和颗粒尺寸：离子交换法促进了活性炭为孔发育，比表面积和微孔孔容分别由890.96 m2/g和0.269 cm3/g提升至1071.17 m2/g和0.323 cm3/g，平均孔径由2.19 nm降低至1.40 nm；球磨法和原位合成法则基本不改变微孔孔容的前提下，显著提高了中孔孔容和中孔率，其中原位合成法的中孔孔容和中孔率分别达到了0.513 cm3/g和66.3 %。
（2）采用离子交换法、微孔强化的活性炭亚甲蓝值达到287.98mg/g，球磨法和原位合成法制备的活性炭焦糖脱色率达到96%以上，均处于煤基压块活性炭的较高水平，进一步证明了采用Fe系纳米颗粒催化活化定向调控活性炭孔结构，优化活性炭吸附性能的可行性。
（3）采用高能球磨、离子交换和纳米颗粒原位合成均能向低阶烟煤中引入Fe元素，且Fe元素在炭化活化过程中均遵循Fen+→Fe→Fe3O4转变历程。球磨法和纳米颗粒原位合成法可在炭化料中形成30-40 nm的铁系纳米颗粒，可显著提高活化反应速率，提高烧失率，并且由于模板作用，显著提高了40 nm以上的中大孔；离子交换法引入的Fe主要存在于碳粒表面，增加了表面活性位点覆盖率，使得单位烧失率下产生的微孔更多。
14011002000166号