洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2024年第01期

• 超纯无烟煤导电性影响因素

  宋树磊, 阎善文, 许轩, 陈增强, 刘红旗

  为研究无烟煤自身的导电特性,提高其导电性能,使无烟煤成为填料和电极材料的一部分,采用酸溶法制备了灰分0.13%的超纯无烟煤,采用粉末电阻率仪探索了含水率、灰分、压强、粒度及矿物质成分对超纯无烟煤导电性的影响规律。结果表明,无烟煤电导率随含水率和压强的升高呈上升趋势。随灰分降低电导率逐渐升高。灰分低于1.0%时,电导率随灰分降低而急剧升高。压强4.00MPa、含水率6.21%、粒度0.2~0.1mm,灰分降至0.13%时,无烟煤导电性最佳,其电导率为1.44×10-7S/cm。研究范围内,粒度对无烟煤电导率影响较小。煤中常见矿物质的电导率顺序为:黄铁矿>高岭石>二氧化硅>碳酸钙>硫酸钙;黄铁矿电导率最高,达1.32×10-2S/cm。无烟煤电导率随黄铁矿含量增加呈升高趋势,而随其他矿物质含量增加呈降低趋势。采用响应曲面模型优化正交试验结果,获得了无烟煤电导率与含水率、灰分及粒度之间的二次回归方程。含水率和灰分对无烟煤电导率测试结果的影响显著,其中灰分对电导率的影响程度最大,含水率次之,粒度最小。

• 昭通褐煤催化热溶解聚及其可溶物组成和结构特征

  赵云鹏, 吴法鹏, 仇乐乐, 肖剑, 曹景沛, 魏贤勇

  温和热溶是从褐煤获取可溶有机质的有效途径,然而传统热溶过程可溶物收率较低。通过共沉淀法制备了一系列Al2O3负载金属催化剂,考察了昭通褐煤在异丙醇中的热溶和催化热溶行为。采用XRD、H2-TPR、TEM和XPS研究了催化剂的物理化学特征,利用GC/MS、FTIR和MALDI-TOF-MS分析了热溶和催化热溶可溶物的组成和结构特征。结果表明,NiCu/Al2O3对昭通褐煤的催化热溶活性优于其他催化剂,该催化剂中活性组分以NiCu合金的形式存在,且Ni与Cu之间存在相互作用。热溶与催化热溶可溶物收率均随温度升高呈先上升后下降的趋势,320℃可溶物收率最高,分别为27.69%和50.54%。催化剂的引入可提高昭通褐煤可溶物中油、沥青烯(AS)和前沥青烯(PAS)收率,其中油和PAS的收率提升相较AS更明显。酚类化合物是非催化热溶衍生油的主要族组分,相对含量达到64.44%,而催化热溶衍生油主要由芳烃、酚类、醇类和酮类化合物组成,说明催化剂促进了可溶有机质碎片中共价键的断裂和酚类化合物加氢。与非催化热溶得到的AS和PAS相比,催化热溶得到的AS和PAS分子量分布范围窄,且FTIR谱图中羟基和醚键对应的吸收峰变弱或消失,说明催化热溶促进了C—O键加氢裂解。催化热溶可在相对温和的条件下从煤中直接高收率获取可溶有机质,研究结果为从褐煤直接获取化学品技术的开发提供参考。

• 气流分选技术研究进展

  朱学帅, 孙涛, 宋昭, 严书劢, 阮乐怡, 柏思航, 徐慧远, 韦鲁滨

  双碳背景下,气流分选技术因污染低、成本低、不用水、投资省、工艺简单等优势备受关注。为提升气流分选技术在多领域、多地区、多工况的适应性,解决气流分选物料适用范围窄、细粒分选效率低、设备大型化难等问题迫在眉睫。围绕气流分选理论、技术应用和技术改进3方面系统评述气流分选技术研究进展。首先,介绍了气流分选技术原理,分析气流分选过程颗粒受力及分选理论进展;其次,综述了气流分选在固废、矿业、农业等领域的应用进展,并评析了技术优势和技术短板;再次,系统分析了气流分选供风方式优化和设备结构优化等技术改进进展;最后,给出了通过单体并联和相似放大准则提高设备处理量,通过预干燥、分选干燥一体化、改进入料方式提高潮湿物料适应性与分散性,通过窄粒级分选和保持物料形状一致性的预处理过程提高细粒和薄片物料分选效率等路径。展望了未来气流分选技术在线检测与控制智能化、分选装备大型化、分选效率精细化、分选工艺联合化等方面的发展方向,为气流分选技术进一步研究和推广应用提供重要依据。

• 高含水低品质煤干燥脱水提质技术进展

  张博, 姚少宇, 孙宗盛, 崔俸源

  煤炭是保障我国能源安全的压舱石和稳定器。随着优质煤炭资源的消耗,低品质煤的利用逐渐占据主导地位。高含水低品质煤储量大,水分含量高,降低了其后续利用效率。煤炭干燥可有效降低煤炭水分,提高煤炭质量,促进高含水低品质煤的清洁高效利用。将煤中水分按照赋存的位置和性质进行总结分类;综述了煤中孔隙结构和含氧官能团的分类及干燥过程对煤炭物理化学结构的影响,进而分析了煤物理化学结构对水分脱除和复吸的影响。结果表明,小孔隙中的水分和以氢键形式结合的水分较难脱除,干燥后孔隙体积和含氧官能团的减少可有效抑制水分复吸,煤炭的着火温度受煤种和水分的影响,应合理控制干燥温度上限防止煤炭在干燥时过热燃烧。综述了目前蒸发干燥脱水技术的应用现状,包括滚筒干燥、低温蒸汽干燥、流化床干燥、振动混流干燥、微波干燥等干燥方式,对不同干燥方式进行对比评价,并对未来干燥脱水技术的研究方向进行探讨,其中热烟气干燥设备结构简单、处理量大,但干燥过程需严格控制含氧量,安全性相对较低,微波干燥具有选择性加热的优势,干燥速率快,但干燥后期可能出现热失控,目前主要处于实验室/中试研究阶段;用蒸汽作为干燥介质的干燥技术安全性较高且无废水废气排出,具有能耗低、安全性高特点,可进一步研究蒸汽温压瞬态脱水技术,解决宽粒级煤炭的安全高效脱水提质。

• 基于数据生命周期的煤泥浮选智能控制技术研究进展

  周长春, 温智平, 周脉强, 徐舸

  随着国家政策和新一代人工智能技术的持续牵引,矿山智能化研究取得突破,其中,选煤厂智能化建设受到高度关注,煤泥浮选智能控制技术一直是阻碍选煤厂智能化建设的关键瓶颈之一。以煤泥浮选数据生命周期为主线,从浮选精煤/尾煤灰分在线预测、浮选药剂智能添加和煤泥浮选系统智能决策3个角度综述了煤泥浮选智能控制技术的研究进展,并展望未来煤泥浮选智能控制技术发展趋势。浮选精煤灰分在线预测困难重重,单一视觉特征信息并不可靠,尾矿灰分的预测技术相对更加成熟可靠;浮选药剂添加量受多个过程变量同时制约,模型性能在整个工况区间的自适应性和泛化能力还需进一步提升;当前浮选工业系统智能控制技术的进一步发展严重受限于浮选精煤/尾煤灰分等指标的预测精度、传感器检测精度、药剂添加精度等因素。浮选过程数据集维度更高,难以建立可靠的知识库,以深度学习为代表的新一代人工智能技术能适应这类数据结构。此外,已有浮选监测系统只针对特定矿物,唯一性较高。未来浮选智能控制系统应集中攻克指标预测、传感器检测精度等方面限制,建立多煤种、模板化的煤泥浮选智能控制资料大数据集和大模型。

• 黏结性富油煤热解油气析出规律及物性演变特征

  唐颖, 吴晓丹, 孙景耀, 苏展, 畅志兵, 王楚楚, 旷文昊

  黏结性富油煤受热产生的软化、熔融现象可能导致井筒堵塞和地层扰动,这是原位热解需考虑的重要因素。在300~700℃下对黏结性富油煤热解,考察油气析出规律和组成性质,分析半焦的物性演变特征及其对原位热解的指示意义。结果表明,焦油产率在500℃取得最大值7.75%,此时<300℃轻质组分含量最高(32.2%),且焦油成分在400~500℃变化显著,酚类和芳烃含量分别呈现增大和降低趋势。煤样的软化温度和固化温度分别为389和455℃,使半焦的宏观孔率度在≥400℃时由不足10%增至约50%,而微观孔隙结构仅在600~700℃高温脱气阶段更发达;半焦导热系数随温度先减小后增大,并在400℃达到最小值0.06W/(m·℃)。黏结性富油煤原位热解面临通道堵塞、挥发分析出受阻和煤层导热速率偏慢等潜在问题,可尝试采用具有破黏效应的压裂支撑剂或近临界水原位转化技术加以解决。

• Co／SAPO-34催化剂在MTO反应中催化性能和积炭行为

  李宁, 褚睿智, 吴佳欣, 孟献梁, 吴国光, 李晓, 李伟松, 江晓凤, 俞时

  针对SAPO-34分子筛在MTO反应中烯烃选择性低和易于酸性积炭失活的问题,通过等体积浸渍法向SAPO-34分子筛孔道内引入金属Co,系统考察了Co的加入量对Co/SAPO-34催化剂在MTO反应中的催化性能和积炭行为的影响。结果表明金属Co可以作为脱氢反应中心位点,削弱氢离子转移作用,抑制烷烃的生成,进而有效提高反应烯烃选择性;同时Co金属的引入可以精密调控SAPO-34分子筛表面酸中心强度,提高弱酸/强酸比例,进而削弱强酸中心的积炭作用,抑制催化剂的积炭失活。结合NH3-TPD、H2-TPD、氮气物理吸脱附、TG、XPS、GC-MS等表征方法,深入探讨Co/SAPO-34催化剂在MTO反应中的积炭行为,发现多甲基苯类关键积炭前体优先沉积于微孔和强酸位点,并显著促进稠环芳烃的生成,而相对较大的孔体积以及适量的弱酸浓度可以协同促进积炭前体的分解转化,抑制稠环芳烃等硬积炭物种的形成。积炭速率计算表明,具有适量酸性和孔道结构的Co0.5/SAPO-34的甲醇转化率及低碳烯烃选择性最高,催化寿命最长。

• 藤蔓结构NiCo-MOF@CNTs复合电极材料制备及性能

  任国行, 顾波, 杨小芹, 彭晓雪, 魏金雨, 贾嘉, 林喆, 秦志宏

  超级电容器是一种高性能电化学储能装置,具有功率密度高、循环稳定性强、充放电速率快等特点,在可再生能源存储中发挥重要作用。为提高超级电容器性能,满足日益增长的能源储存需求,利用水热法制备NiCo-MOF@CNTs复合电极材料,通过改变碳纳米管(CNTs)添加量,使复合材料储能特性达到最优。CNTs不仅增加了材料的比表面积和导电性,还与NiCo-MOF形成独特的藤蔓结构,其中NiCo-MOF构成藤蔓的叶片,为电荷存储提供活性位点,而CNTs构成与叶片相连接的茎蔓,将电子源源不断传递至活性中心,改善电化学性能。与未添加CNTs相比,效果最好的NiCo-MOF@CNTs5的比表面积由25.65m2/g增至44.27m2/g,平均孔径由37.86nm降至18.99nm,孔径分布更有利于电解质离子的扩散与传输;在1A/g电流密度下,比电容高达1569F/g,电流密度增至20A/g时,倍率性能高达74%,高于未加入CNTs的NiCo-MOF电极材料(42.6%)。组装成非对称超级电容器后,在1A/g电流密度下比电容为194F/g,电流密度增至20A/g时比电容仍有147F/g;在5A/g电流密度下经5000次充放电循环后,比电容保有率91.2%;在759W/kg功率密度下的能量密度高达50.63Wh/kg,功率密度提至17.3kW/kg仍能实现41.94Wh/kg高能量密度。

• 生物质平台化合物催化转化制备芳香多元羧酸研究进展

  呼延成, 张文静, 曹景沛

  芳香多元羧酸,如对苯二甲酸、邻苯二甲酸、偏苯三甲酸、均苯三甲酸、均苯四甲酸等是重要的大宗化学品,可以制备各种聚合物材料,在日常生活的各个领域应用广泛。工业上,这些芳香多元羧酸是以石油基衍生的芳香烃为原料进行高温高压催化氧化获得。在双碳背景下,开发利用可再生生物质替代传统化石能源生产芳香多元羧酸具有重要的现实意义。生物质转化过程是首先在化学或生物催化下,将生物质降解到一系列C1~C6的平台化合物,然后再通过这些化合物之间的耦合转化制备工业化学品。详细总结了生物质平台化合物催化转化制备芳香多元羧酸的研究进展。这些工作的创新点是开拓新的生物质基合成工艺来生产芳香多元羧酸,关键挑战步骤是芳环的构建。针对该难点,成功开发了两种策略:①呋喃类分子与烯烃的Diels-Alder反应与后续脱水芳构化反应;②醇脱水生成共轭二烯烃,再与烯烃进行Diels-Alder反应以及后续的脱氢芳构化反应。按所生产芳香多元羧酸的种类进行分类,包括对苯二甲酸、苯酐/邻苯二甲酸、苯三甲酸以及均苯四甲酸。研究为生物质催化转化新体系的研发与工艺过程优化提供借鉴。

• 沥青基多孔炭材料制备及其双电层储能性能

  岳晓明, 刘天龙, 赵子涵, 安兆阳, 罗鹏

  多孔炭作为超级电容器电极的主要材料,具有导电性好、化学稳定性高、工作温度范围广等优点。以内蒙古煤沥青(CTP)为原料,分别以K2CO3和KOH为活化剂,通过化学活化法制备多孔炭材料,优化制备工艺并比较2种活化剂制备的多孔炭在结构和电化学性能方面的差异。结果表明,K2CO3活化和KOH活化最佳制备条件均为活化温度700℃、活化时间60min、活化剂与CTP质量比为2∶1。2种活化剂制备的多孔炭在微观结构上有很大差异,KOH活化所得多孔炭(PH-T700)表面平整光滑并分布大量规则的圆孔,而K2CO3活化所得多孔炭(PC-T700)内部呈层叠交错的珊瑚状结构。与PH-T700相比,PC-T700具有更多中孔,离子扩散阻力更小。在1A/g电流密度下,PC-T700和PH-T700的比电容量分别为252.90和261.02F/g,PC-T700和PH-T700组装成纽扣型对称电容器,0.5A/g时比电容量分别为226.01和225.51F/g,且PC-T700表现出更优秀的倍率性能和循环稳定性。5000次充放电后,PC-T700和PH-T700的比电容量分别为初始值的103.77%和98.20%。输出功率达1038.46W/kg时,PC-T700能量密度仍保持7.5Wh/kg,实际使用价值高于PH-T700。

• 沥青基碳纤维的制备工艺、反应机理及调控方法

  刘金昌, 严作贤, 王欣雨, 解强, 梁鼎成

  沥青基碳纤维是重要的工程碳纤维之一,在航空航天、国防军工等领域具有广泛应用。沥青基碳纤维制备流程长、影响因素多,归咎于对其制备工艺、反应机理及调控方法的认识不足,迄今工业化生产强度性能优异的沥青基碳纤维仍面临诸多困难。以碳纤维生产流程为主线,针对原料预处理、沥青前驱体调制、熔融纺丝、预氧化及炭化与石墨化的现状、方法、机理及调控进行深入探讨分析。沥青基碳纤维的原料有煤系、石油系、生物质系、高分子系和纯化合物,原料预处理方法主要有蒸馏和萃取;沥青前驱体的调制本质是以氢转移反应和自由基反应并行的液相炭化反应,包括环化、芳构化、低聚和缩聚等复杂的反应过程。芳烃低聚物在高温下缩聚形成稠环芳烃片状大分子的基本结构单元,基本结构单元经过热运动不断聚集,形成聚集体;由于范德华力作用使基本结构单元相互堆叠,形成平行堆积体,进而通过层积、堆积等过程形成基本构筑单元聚集体。基本构筑单元聚集体在不同反应条件下可以转变为长程无序、短程有序的难石墨化结构,也可以转变为长程有序、短程有序的易石墨化结构。以煤系、石油系和生物质系物质为原料调制沥青前驱体时,因其反应活性好,通常选用设备简单、操作容易、成本低廉的热缩聚法;而当以萘、甲基萘等纯化合物为原料时,因其反应活性差,需要较高的温度才能引发自由基反应,故通常采用催化合成法。熔融纺丝宏观上起到塑型的作用,通过改变纺丝参数和喷丝板的形状分别可以调节碳纤维的直径和形状;此外,熔融纺丝对中间相沥青前驱体的重排分子作用尤为明显,使得石墨微晶更易沿轴向一维排列形成有序的石墨晶体结构。为使沥青纤维在炭化过程中不发生融化,需要将沥青纤维由热塑性转变为热固性,即通过轻微的氧化反应,让沥青中的稠环芳烃分子经历氧化、缩合、分解和脱水,从而形成特定的交联结构,最终在纤维结构中生成一定量的含氧官能团。炭化是使预氧化后的纤维经过复杂的化学反应和结构转变形成具有炭材料分子结构特征的碳纤维。炭化过程中,石墨微晶发生重排,非碳原子被移除,碳元素含量进一步升高;经过石墨化后,石墨晶体结构更加完整、取向度更高,使碳纤维向石墨纤维转变,强度性能更加优异。另外,针对沥青基碳纤维的突破方向,提出了从分子维度定向可控制备的思路;并为碳纤维生产过程中耗时耗能的预氧化步骤的优化改进提供了具体方法。

• 高硫无烟煤制备柱状活性炭对Cu2+的吸附规律及影响机制

  赵金柯, 郭子一, 段晨龙, 黄冬艳, 董婷玉, 王皓雪, 周恩会

  高硫无烟煤燃烧时会产生大量硫氧化物,破坏大气环境,随着环保要求日益严格,需寻求高硫无烟煤由传统燃料向高端材料发展的途径。由于活性炭制备与应用在特定领域尚无技术指标,造成制备目标模糊,活性炭定向制备问题亟需解决。采用晋城地区高硫无烟煤,通过物理活化法制备,并采用磷酸浸渍处理,得到了比表面积1066.42m2/g(AC-1)和1568.79m2/g(AC-2)的2种活性炭。采用FTIR、XPS、SEM等方法进行表征。结果表明,AC-1的最几可孔径为1.688nm,AC-2的最几可孔径为0.718nm,前者具有更发达的介孔结构。以Cu2+为吸附质研究2种活性炭的吸附性能。结果表明,AC-1的吸附性能显著优于AC-2,吸附行为由孔径分布和表面官能团含量2个因素共同决定。最佳吸附条件为pH=4,温度35℃,活性炭投加量0.30g,吸附时间2h。动力学研究表明2种活性炭对Cu2+的吸附过程均由化学吸附而不是颗粒内扩散控制。吸附等温线拟合结果表明Langmuir等温模型不适用于AC-2,这可能与其以物理吸附为主导有关。本研究讨论活性炭孔隙分布和表面官能团含量对其吸附性能的影响,为高硫无烟煤定向制备具有良好水相重金属离子去除能力的活性炭提供指导。

• 煤液化残渣萃余物浮选预处理促进机理

  解维伟, 穆无双, 闫永吉, 于一凡

  煤液化残渣萃余物(ER)是指煤直接液化残渣通过萃取手段得到重质油和沥青后剩余的物质,约占原煤量的15%。利用扫描电镜(SEM)观察到萃余物表面疏松多孔的结构,通过浮选手段降低灰分后,可用于制作活性炭。由于萃余物中重质油和沥青附着在未反应煤表面导致萃余物中各种物质均具有无差别的疏水性,难以进行浮选,因此采用热处理手段将重质油及沥青脱除,使萃余物整体疏水性降低,增加疏水性的未反应煤和亲水性的硅铝酸盐矿物及催化剂(Fe7S8)之间的差异性。重质油和沥青经热处理去除后,剩余的硅铝酸盐矿物及催化剂等具有亲水性,仍保留在未反应煤的孔隙和表面,因此采用超声处理手段将这些亲水性物质去除,暴露出未反应煤的疏水性表面,此时萃余物疏水性增加,煤与亲水性杂质之间的差异性增大,有利于浮选。对处理前后的萃余物进行浮选试验,结果表明:萃余物原样难以浮选,在马弗炉中260℃焙烧1h后的萃余物可以浮选。在热处理的基础上进行超声处理,随超声处理时间增加,精煤产率呈上升趋势,灰分呈下降趋势。超声处理10min的萃余物浮选精煤产率为58.20%,灰分为23.63%,相比仅经过热处理的萃余物,浮选精煤产率提高17.80%,灰分降低2.88%。热处理及超声处理均对浮选有促进作用。采用扫描电镜和DSA100接触角分析仪分别对超声处理前后萃余物的表面特性进行检测分析。通过扫描电镜观察到萃余物表面黏结有大量杂质,随超声处理时间增加,表面杂质逐渐减少,接触角逐渐增大,疏水性增加。扫描电镜及接触角分析均支持浮选结果。

• 高灰煤气化细渣的油类捕收剂浮选与难浮机理

  杨哲, 黄根, 赵宇佳, 王陆洋, 孙小丽, 廖寅飞, 崔晓珂

  高效分离煤气化细渣中的残碳和矿物是其高值化利用的前提,但气化细渣较差的可浮性成为其浮选分离面临的难题之一。以多喷嘴对置(OMB)水煤浆气化炉的煤气化细渣为对象,研究了油类捕收剂十二烷的浮选效果和气化细渣的难浮机理。通过傅里叶红外光谱测试,发现气化细渣中芳香结构和侧链的含量相比煤炭样品的含量较少,且气化细渣表面存在较多含氧基团;X射线光电子能谱结果表明气化细渣矿物中包含多种亲水的氧化矿物。通过低温氮气吸附和压汞试验测量了气化细渣的孔隙特性,结果表明其孔隙在纳米到微米尺寸内均有大量分布;计算得到原矿样品的BET比表面积为62.03m2/g。通过粉末润湿试验和改进的Lucas-Washburn方程表征了水和十二烷对气化细渣粉末的润湿过程,试验发现气化细渣残碳相比水更易被十二烷润湿,而气化细渣尾矿更易被水润湿,但残碳和尾矿对水的润湿性差异较小;通过低场-H1核磁共振的T2反演图谱证明了油类捕收剂在孔隙中的吸附行为;油类捕收剂用量的增加和油滴粒径的减小导致孔隙药剂吸附量增加。油类捕收剂在气化细渣的浮选过程中大量进入孔隙而难以有效在残碳表面吸附,导致油类捕收剂的浮选作用效果差。

• 基于煤矸石中锂、镓元素赋存状态的高梯度磁选预富集试验

  孙逢帅, 代世琦, 王磊, 邢耀文, 桂夏辉

  我国山西、内蒙古部分矿区煤矸石中蕴藏着锂、镓等战略性关键金属,其锂、镓元素富集逐渐成为研究热点。然而煤矸石中锂、镓含量很低,直接浸出需消耗大量化学药剂,高效、经济的富集锂、镓元素仍存在很大挑战。为提高煤矸石中锂、镓富集效率,针对山西朔州地区煤矸石中锂、镓元素赋存状态和预富集方法展开研究。采用逐级化学提取法、矿物物相组成、矿物解离分析、电感耦合等离子体质谱法、扫描电子显微镜和能量色散光谱,研究了煤矸石中锂、镓元素的赋存状态,利用高梯度磁选探究通过抛除黄铁矿对煤矸石中锂、镓元素预富集的可行性。结果表明,煤矸石主要由高岭土、黄铁矿、石英、方解石、白云母等矿物组成,锂、镓元素主要赋存于硅酸盐类矿物中,黄铁矿中含量较少。原矿中锂质量分数146.37μg/g,镓质量分数25.04μg/g。通过磁选方法抛除黄铁矿可对煤矸石中锂、镓元素预富集,1000mT时,预富集效果最佳,磁选尾矿中锂质量分数210.63μg/g,为原矿中锂含量的1.45倍,锂回收率88.00%。镓质量分数31.88μg/g,高于原矿中镓元素,镓回收率80.07%。

• 沸石膜在分离烟气中CO2的挑战:沸石与载体间结合力研究进展

  梁鼎成, 杨录录, 解强, 谢珠璨, 邓青文, 郭滨硕

  发电厂烟气中CO2是主要碳排放源之一,利用沸石膜孔径大小进行CO2分离则是实现碳中和、降低碳排放的重要手段。然而,在高温高压气体环境下使用沸石膜分离烟气时,沸石与载体结合并不紧密,易导致膜层在分离烟气过程中破裂或与载体发生剥离,为沸石膜大规模分离CO2提出挑战。综述了沸石与载体之间的结合方式以及结合力特性,并对定量表征结合力强弱的方法进行归纳、总结。结果表明,Decadodecasil3R(DD3R)沸石具有全硅结构及介于CO2/N2分子大小的孔隙尺寸,可与经过酸处理的陶瓷载体形成相对稳固的共价键,从而形成结合紧密的沸石膜。即使在水蒸气影响下,该膜仍能有效实现烟气中CO2/N2分离;传统试验方法(如超声法、划痕法和压痕法)在研究载体、沸石和改性剂界面的结合力时无法提供详细数据,分子模拟能有效弥补这些不足,在原子尺度上模拟材料界面的结合情况并进行量化,从而为筛选最优的载体改性方法提供了坚实的理论基础。

• H2O2刻蚀MoS2纳米片增强CO2催化加氢性能

  周维, 赵世熙, 谢欣雨, 陆诗建, 倪中海, 杨菲菲

  CO2催化加氢制备高附加值化学品是缓解温室效应,实现人类社会可持续发展的关键技术之一。二维MoS2材料由于其特殊的层状结构和表面丰富可调的S缺陷位,在CO2活化与转化中被广泛关注,将MoS2催化剂用于CO2加氢的关键在于表面S空位的构建。为开发高效构建S空位工艺,以MoS2纳米片为基础,利用H2O2刻蚀法在其表面引入S空位,对比了H2O2刻蚀前后CO2在常压和高压下的反应性能。研究表明,H2O2刻蚀能显著提升S空位含量,且不会改变MoS2的晶相结构,也未影响S空位的化学性质,从而明显提升CO2催化加氢的转化率,但不影响产物分布。在常压条件下,S空位主要催化CO2解离加氢为CO,选择性达96%以上;而在高压(5MPa)低温(180℃)条件下能以较高的选择性(79%)催化CO2加氢为甲醇,升高反应温度会提升CO2转化率,但甲醇的选择性会显著降低,同时伴随甲烷的生成。本研究提供了一种简便高效的构造S空位的制备工艺,为MoS2催化剂的工业化应用提供一定的理论和技术支撑。

• 弱碱性吸收剂碳捕集及CO2富液生物再生性能

  赵敏楠, 张佳音, 张新妙, 徐恒, 栾金义, 陆丁香, 赵鹏宇, 陈湘泽, 武振康

  碳捕集转化一体化工艺能利用CO2转化过程同步实现CO2富液再生,有望降低碳捕集转化整体成本。为评价生物甲烷化与碳捕集耦合的可行性,首先,在填料塔中考察了以4.2g/LNaHCO3、6g/LNa2CO3、微生物营养液配制的弱碱性吸收剂(pH=10)对模拟烟气中CO2的吸收性能;其次,在厌氧瓶内利用生物甲烷化过程对CO2富液开展5个周期的循环再生试验。结果表明,填料塔气体流量≤1.0L/min时,随液体流量增加,所有试验组CO2去除率逐渐上升并能稳定在80%以上,该填料塔液体流量宜≤0.9L/min;不同气体流量(0.4~1.2L/min)下填料塔体积总传质系数基本稳定在17~19mol/(h·kPa·m3);CO2吸收导致吸收液中NaHCO3增加、Na2CO3减少,二者变量比值在1.2~1.9。气体流量为0.6L/min、液体流量为0.7L/min时,在维持80%以上CO2去除率的前提下,该弱碱性吸收剂可循环使用6次,此时活性组分CO2-3利用率达89.5%,形成的CO2富液中总无机碳量为0.127mol/L,pH为8.82,能为生物甲烷化微生物提供适宜的生长环境。CO2富液循环生物再生试验表明,每次再生后的吸收剂CO2吸收量基本稳定在69.6~78.6mmol/L,且再生期间CH4产生过程具有良好的重复性;再生试验后,Firmicutes、Actinobacteriota等耐碱性门水平细菌得到一定富集;氢营养型产甲烷菌在再生前后古菌属中占比均接近99%,但再生试验期间弱碱性环境导致Methanobrevibacter相对丰度降低了19.5%,unclassified_f_Methanobacteriaceae增加了18.7%。初步证实了碳捕集耦合生物甲烷化工艺的可行性。

• 煤矿酸性废水中硫酸盐的防治与潜在资源化技术研究进展

  张春晖, 章昭, 陈乐贻, 李伟宪

  煤炭在未来依然是中国能源结构的重要组成部分,煤炭开采过程中产生含高浓度硫酸盐的煤矿酸性废水(ACMD)是制约其实现高质量绿色可持续发展的关键。ACMD是SO2-4的一个重要工业污染来源,其主要是含硫矿暴露后的氧化作用产生。通过回顾ACMD的形成机理和危害,分析了可用于源头预防和后续处理的技术,秉持“预防胜于治理”的原则,全面分析了抑菌剂、氧气隔绝和表面钝化等预防硫酸盐产生的技术特点,后续处理阶段目前采用较多的技术包括化学沉淀、吸附、离子交换与膜技术的主动修复技术和以生物处理与人工湿地为主的被动修复技术。主动修复技术存在二次污染的风险和成本较高等问题,被动修复技术的处理时间和系统稳定性限制其广泛应用;鉴于硫酸在化学和冶金工业中市场可观,从ACMD回收硫酸的资源化前景潜力巨大,目前关于从ACMD中回收硫酸的潜在技术包括精馏、扩散渗析、电渗析、溶剂萃取和结晶等,评估了每种工艺应用于ACMD中的技术和经济可行性;最后着重强调了关于ACMD中硫酸盐防治和资源化技术的未来发展前景,其中包括深入研究预防技术,降低处理成本,开发新型稳定的处理和回收工艺,为煤炭行业的污染控制与废弃物资源化提供新的控制策略和更广泛的研究思路。

• 重金属-PAHs污染土壤植物微生物修复效果及机理

  贾建丽, 高小龙, 张犇, 赵燊炜, 韩宇欣, 原浩坤, 王业荃

  针对焦化厂等土壤中铬(Cr)、砷(As)重(类)金属和菲(Phe)、苯并a芘(BaP)等多环芳烃(PAHs)风险高、绿色低碳修复技术缺乏等突出问题,以黑麦草-玉米-食醚红球菌(Rhodococcusaetherivorans,BW2)开展植物微生物联合。结果表明,63d后植物微生物联合修复组土壤中Cr、As、Phe和BaP浓度分别下降9.63%、5.28%、45.14%和26.87%,其中重金属的去除主要依赖于植物作用,而PAHs去除则在很大程度上取决于微生物与植物的共同作用;植物主要吸收可提取态重金属,63d后不同修复组土壤中可交换态Cr平均下降2.19%,而As则由于降解作用使修复过程中可交换态有所增加;可交换态Cr和碳酸盐结合态Cr与土壤中放线菌门为强正相关,2种形态As则与拟杆菌门、装甲菌门、FBP菌门和浮霉菌门呈正相关。污染物去除效率之间存在明显相互作用,同时受酶活性和不同功能微生物丰度的动态影响,反之土壤微生物群落结构和功能也在土壤污染物种类、浓度及理化性质等综合作用下发生改变。

• 响应曲面法优化高效除氟药剂的研制及除氟机理

  章丽萍, 姚瑞涵, 赵晓曦, 雷文波, 李蕙彤, 战永祺, 孙华冉, 高乙清

  我国电子、光伏、无机氟化工、煤矿开采、煤基化工等行业产生的废水普遍存在氟化物超标问题,除氟药剂法作为废水除氟的新方法,存在投药量及污泥产生量较大等问题。采用响应曲面BBD法对该除氟药剂的制备条件进行试验设计和优化,并与常用混凝剂除氟性能进行对比。通过扫描电子显微镜分析(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)分析手段对不同制备阶段除氟药剂进行表征分析,结合处理后上清液残留元素水平和各元素利用率对除氟机理进行探究。结果表明:除氟药剂最优制备条件为n(M)/n(Si)(M为金属总量)为44.91、n(Al)/n(Mg)为40.64、n(Al)/n(Fe)为34.92,在该条件下所制备的除氟药剂在投药量1.35g/L时,氟离子质量浓度由20mg/L降至0.71mg/L,达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准限值1.0mg/L以下,氟离子去除率达96.45%,响应曲面法建立的模型相关系数R2为0.9690;对于初始氟质量浓度10~200mg/L的含氟水样,除氟药剂按比例投加,上清液剩余氟质量浓度均小于1.0mg/L;与常用混凝剂的除氟性能顺序为:除氟药剂>PAC>PAFC>PFS;SEM和XRD表征分析发现除氟药剂形态和结构均发生改变,通过反应聚合形成多种多羟基聚合物,这些多羟基聚合物与氟离子间发生离子交换,从而去除氟离子;通过对上清液残留进行元素分析,结合所投加除氟药剂中各金属元素浓度,分析得出铝、硅、铁、镁的元素利用率分别为99.98%、97.16%、92.22%和18.39%;除氟药剂对多种实际含氟工业废水均高效且适用。

• 煤矸石自燃的关键影响因素及治理方法研究现状

  王启宝, 敖立新, 张凯, 杨康, 唐玉伟, 谭栩荧

  煤矸石作为煤炭的伴生产物,长期堆存过程中自燃现象频发,直接或间接产生生态污染、水体污染、地质灾害等诸多问题,造成巨大经济损失和人员伤亡。煤矸石从堆积初期到燃烧状态受诸多因素影响,包括自身性质、自燃条件和外部环境等,是一个复杂的物理化学反应过程。为提高煤矿矿区矸石自燃的防治能力,分析了煤矸石自燃理论的研究现状,系统总结了现阶段国内外学者对煤矸石自燃机理和治理方法的研究进展。围绕可燃物、氧气、温度3个影响煤矸石自燃的必要因素,提出了引发自燃的主要关键影响因素和作用过程机理。较全面介绍已有煤矸石山自燃防治的主要方法,对比分析了各种常规煤矸石自燃灭火手段以及治理技术的优缺点,指出了常规简单技术治理效果的局限性。针对煤矸石作为砂、石等替代材料,回填露天矿坑、采煤塌陷区等区域进行土地整治和生态修复,提出在防治过程中要明确自燃治理的控制对象,提升防灭火材料的特定性能,通过智能化设备提高辨识准确性进行精细化监控,并运用多种监测预警技术协同自燃防治材料多手段多方法运用综合治理,并提出了煤矸石自燃防治技术的未来发展和矿用防灭火材料的研究方向,为后续开展煤矸石自燃机理研究及自燃防治工程应用提供参考和理论支持。

• 碳基固体氧化物燃料电池研究进展

  张伟, 魏嘉璐, JOSÉAntonioAlonso, 孙春文

  随着人们对绿色能源和环境友好型社会需求的日益增长,先进能量转换装置或系统的研发亟待加速,而燃料电池系统被认为是最有希望的未来发电装置。在不同种类的燃料电池中,固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种清洁环保的发电装置,因其独特的多燃料运行能力及能量转化效率高等优点而前景广阔。然而,传统使用镍-金属陶瓷阳极的SOFCs,在碳氢化合物燃料下运行时,由于燃料的不完全氧化会使阳极产生积碳,从而导致电池性能下降。讨论了碳基SOFC中碳沉积机理和解决阳极积碳的策略,重点介绍了目前广泛研究的具有混合离子-电子导体的双金属-金属陶瓷材料的种类以及研究进展,并总结了双金属-金属陶瓷材料的抗积碳机理,主要表现为降低阳极表面的碳沉积速率以及加速积碳的去除。还介绍了在还原性气氛中,钙钛矿材料中纳米粒子原位偏析的原理,并讨论了原位偏析所形成的纳米颗粒以及其与钙钛矿主体所形成的金属氧化物异质结构在抗积碳阳极中的应用。此外,还探究了多层阳极和单原子催化剂阳极在中温SOFCs中的应用。在燃料电池技术巨大进步的推动下,人们对可用于固定式发电的集成煤气化的燃料电池发电系统(IGFCs)产生了新的兴趣,该系统对于实现煤炭的清洁高效利用具有重要意义,该技术的关键依托于SOFCs的成熟度。最后,总结并指出了碳基SOFCs未来的一些研究方向。

• 质子交换膜燃料电池退化机制及寿命预测方法综述

  章雷其, 林沁, 刘敏, 吴启亮, 张雪松, 赵波, 胡亮, 杨志宾

  故障诊断与寿命预测是解决PEMFC系统寿命短、成本高的有效方法。综述了PEM系统的退化机制,包括质子交换膜、催化层、扩散层等各个组件的退化机理。从本征因素和外部因素两方面总结了影响PEM系统老化的影响因素,特别是在运行管理过程中操作不当会加速PEM系统老化。介绍了表征PEM老化程度的常用退化性能指标,退化性能指标的选择对寿命预测方法的研究有重要意义,介绍了不同指标的优缺点以及适用情况。从模型驱动方法、数据驱动方法和混合驱动方法3方面介绍了常见的PEM系统寿命预测方法。模型驱动和数据驱动方法各有优缺点,混合方法可结合二者优点并提高预测的精度和准确性。最后展望了预测研究的未来发展方向。