目前,煤层气的开发应用成为研究的新热点之一。活性炭具有发达的孔隙结构和极高的存储容量,被广泛应用于能源存储、气体分离、催化反应等方面。鉴于煤基活性炭的结构特点和价格优势,开展高比表面积煤基活性炭的研制及其用于煤层气CH4吸附分离的研究具有重要的理论意义和工业应用前景。基于此,考察了 KOH浸渍法制备煤基活性炭的优化操作和Ni/Cr助剂对活性炭性能的影响,分析了活性炭对模拟煤层气的吸附分离机制,并对研究中发现的煤基碳纳米管的生成和催化机理进行了初步探讨,取得的主要研究成果与结论如下。1、神木煤是制备高比表面积活性炭的优质原料;原料粒度和煤种都会影响活性炭的性能;炭化温度由400℃逐渐升高到600℃,JC(晋城)活性炭的平均孔径由41.3nm减小到12.71nm,SM(神木)活性炭的平均孔径由3.17nm增大到7.14nm,随温度升高,JC煤的炭化逐渐深入,形成更多的微孔,使平均孔径减小,而SM煤在此条件下的炭化反应已经基本完成,随温度升高,碳骨架的烧失增多,造成孔径变大;随活化温度的升高,JC活性炭的比表面积先增大后减小,最佳活化温度为850℃;随活化时间的增加,TX(太西)活性炭的比表面积增大,孔隙以微孔为主。2、以神木煤为原料时,浸渍法制备煤基活性炭的最优工艺条件为:炭化温度450℃,炭化时间60min,活化温度825℃,活化时间60min。在最优条件下制备的颗粒活性炭比表面积764.76m2/g。3、活性炭的微孔孔容对比表面积有重要影响,平均孔径主要受微孔大小、中孔率和孔径分布的影响,与比表面积和微孔容积没有必然关系。向原煤中添加10%Ni(NO3)2后,最佳炭化温度由500℃降为450℃,最大比表面积由590.83m2/g增大到690.72m2/g,活性炭微孔数量增加,同时微孔孔径略微增大,微孔孔容和总孔容都增大,而孔隙结构和类型没有发生改变。4、Ni(NO3)2促进了 K的消碳反应,生成了更多的酒石酸钾水合物。在碱性环境下,KOH电离产生的大量OH-具有强还原性,与Ni(NO3)2中Ni2+结合生成Ni(OH)2,其中一部分Ni(OH)2高温脱水后变成NiO,另一部分溶于KOH中生成K4[Ni(OH)。],脱水后变成K4NiO3,K4NiO3与C发生氧化反应生成单质K和单质Ni。5、在0-0.5MPa范围内,增大吸附压力后,活性炭的吸附饱和时间延长,说明升高压力有利于活性炭对CH4的分离。比表面积相近的活性炭,平均孔径和孔容越高,压力对分离效果的影响越小。比表面积不同的活性炭,吸附量也有可能相同,说明比表面积不是影响活性炭吸附性能的唯一条件,孔径和孔容也是影响吸附分离效果的重要因素。6、增大压力,CH4分子与吸附位的范德华力增强,吸附开始后,CH4的浓度迅速减小,随着吸附的进行,吸附质的表面逐渐被CH4分子覆盖,活性炭的表面自由能降低,CH4的浓度缓慢增大。7、当原料气中CH4含量为10%时,活性炭表面的CH4分子覆盖率低,CH4浓度减小和增大的过程都很缓慢,吸附曲线呈“V”型;当CH4含量为20%时,CH4的浓度先迅速减小,在最小浓度有一段平稳区,随后浓度迅速增大,曲线呈凹槽型;当CH4含量为60%时,吸附位中填充的CH4分子增多,范德华力增强,使吸附在瞬间完成,吸附过程很快达到最小值,而浓度增大的过程相对缓慢,曲线呈“(?)”型。8、在研究中发现碳纳米管的生成,因此增加了该内容的研究。即以煤为碳源,生成了多壁碳纳米管。碳纳米管的长度为几微米至几十微米,直径约为100nm,壁厚20nm,层数60层,纳米管中包裹有柱状催化剂,碳纳米管的石墨化程度很高,晶型规则。催化剂的元素为Fe,但这无法解释原料中不含Fe元素的碳纳米管的生长机理,关于催化机理的分析需要进一步讨论。9、提出了碳纳米管的“阶梯式”生长机理,即以熔融的催化剂粒子为中心,气态碳原子溶解后以固态析出,组装为卷曲的石墨片层,首先由最外层自下而上生长,然后石墨管壁由外向内,逐层生长,外层与内层间形成了一定的高度差,从剖面图看犹如一层层的“阶梯”。