碳材料孔隙吸附性能及突出煤孔隙特征研究

摘要

煤炭在中国一次能源中占有非常重要的地位。由于赋存条件差，煤炭开采过程中经常发生各种事故，其中煤与瓦斯突出事故在发生次数及造成后果的严重性上，都占有相当大的比例。煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象，诱发其发生的动力源目前仍处于探索之中。目前对煤与瓦斯突出的判定指标主要集中在煤的瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯解吸速度、瓦斯涌出强度和衰减规律、煤体坚固性系数等煤层相关参数，而这些参数中绝大多数与煤的孔隙结构相关。因此，煤体孔隙结构的研究将有助于解释煤对瓦斯的吸附性能、揭示煤与瓦斯突出机理。
　　针对煤与瓦斯突出问题，论文从孔隙中气体分子吸附微观理论出发，首次采用低温氮吸附法测试结构规整的不同规格的碳纳米管的低温氮吸附等温线，并运用合适的分析方法对其孔隙结构特征进行分析。通过对碳纳米管的吸附实验及孔隙结构分析，研究微孔及介孔的吸附性能，并检验仪器的可靠性及分析方法的合理性，为后续的煤样分析提供指导。重点研究了31种煤样的低温氮吸附等温线及其微观孔隙结构特征，探讨了突出煤样与非突出煤样的微观孔隙结构差异及其吸附性能的差异。论文通过研究得出以下主要结论:
　　(1)通过对碳纳米管和煤样的低温氮吸附实验，发现无论是圆形孔隙还是狭缝形孔隙，在一定压力下，当孔隙尺寸小于某一数值时其内部的吸附行为是微孔填充现象;
　　(2)煤样的微孔填充现象主要发生在孔宽0.9 nm左右的孔隙中，发生微孔填充现象的孔隙的吸附能力远远大于未发生微孔填充现象的孔隙，突出煤样的微孔数量远远多于非突出煤样，因此突出煤样的微孔的吸附能力远远强于非突出煤样;
　　(3)突出煤样中孔宽3.5～7 nm的孔隙的数量远远多于非突出煤样，它们对孔隙体积、比表面积的贡献率也远远大于非突出煤样。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤低温氮吸附实验

1．2．2 多孔材料吸附研究

1．2．3 突出煤与非突出煤孔隙结构研究

1．2．4 碳纳米管吸附实验

1．3 问题的提出

1．4 研究内容

1．5 研究方法与技术路线

2 实验方案及分析方法

2．1 实验方案

2．1．1 仪器装置

2．1．2 实验步骤

2．2 碳材料吸附理论

2．2．1 Langmuir理论

2．2．2 BET理论

2．2．3 Polanyi理论

2．2．4 FHH理论

2．2．5 微孔填充理论

2．3 孔隙特征分析方法

2．3．1 吸附等温线

2．3．2 t-plot法、αs法、V-n法

2．3．3 HK法

2．3．4 DFT法

2．3．5 BJH法

2．3．6 DR／DA／DS方程

2．4 小结

3 碳纳米管材料吸附性能及孔隙特征研究

3．1 引言

3．2 碳纳米管信息

3．3 碳纳米管材料吸附等温线

3．3．1 吸附仪可靠性检验

3．3．2 不同碳纳米管吸附等温线

3．4 碳纳米管孔隙特征分析

3．4．1 分析方法基本原理

3．4．2 碳纳米管孔隙分析

3．5 不同管径碳纳米管吸附性能分析

3．5．1 低压区吸附性能比较

3．5．2 较高相对压力区吸附性能比较

3．6 小结

4 突出煤样与非突出煤样吸附性能及孔隙特征研究

4．1 引言

4．2 煤样信息

4．3 各煤样吸附性能分析

4．3．1 各煤样低压区吸附性能分析

4．3．2 煤样较高压力区吸附性能分析

4．4 煤样孔隙特征分析

4．4．1 微孔孔宽分析

4．4．2 煤样介孔孔隙特征分析

4．4．3 微孔与中孔吸附能力对比

4．5 小结

5 全文总结

5．1 主要结论

5．2 论文主要创新点

5．3 研究工作展望

参考文献

作者简历

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