从物理和化学角度探讨孔隙特性及表面官能团对煤泥中二氧化碳吸附的影响

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Effects of pore characteristics and surface functional groups to CO 2 adsorption of coal slime from physical and chemical aspects

煤 slime作为煤洗选废渣，具有高矿物含量和潜在CO?吸附能力。研究通过SEM分析发现其表面富含层状黏土矿物包裹煤颗粒形成孔隙结构，并通过CO?吸附实验（0.5-4.5 MPa）表明极限吸附量达36.638 cm3·g?1。分析表明煤 slime比表面积和孔体积随变质程度先降后升，表面羧基和酚羟基含量变化影响吸附性能，最终吸附能力排序为TX > JJT > XZ > HL。

　　在当今全球面临环境恶化和极端天气频发的背景下，二氧化碳（CO?）排放已成为亟需解决的关键问题。为实现碳中和目标，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被广泛认为是重要手段之一。CCUS的核心在于通过大规模工业捕集、有效利用或地下封存CO?，从而减少碳排放。近年来，随着对CCUS技术研究的深入，其在能源、工业和环境领域的应用日益广泛。然而，尽管已有大量高性能CO?吸附材料的研究成果，如胺溶液、金属有机框架材料（MOFs）和纳米材料等，这些材料通常面临成本高、合成过程复杂等问题，难以在实际应用中大规模推广。因此，寻找更具经济性和环境友好性的替代材料成为当前研究的重点。

煤炭行业作为CO?排放的主要来源之一，其在实现碳减排目标中扮演着特殊角色。在煤炭开采过程中，不仅会产生大量的固体废弃物，如煤矸石、粉煤灰等，还会产生煤泥这一特殊类型的废弃物料。煤泥是在煤炭洗选过程中产生的残渣，其特点是颗粒细小、矿物含量高，且含水量较大。由于其高灰分和含水量，煤泥通常无法直接用于其他用途，长期堆放不仅占用大量土地，还可能形成粉尘污染，对环境造成不良影响。如何有效处理和利用煤泥，不仅有助于缓解环境压力，也是推动煤炭行业实现资源利用和绿色可持续发展的关键路径之一。

在这一背景下，煤泥作为煤炭行业的一种固体废弃物，其在CO?捕集与封存中的潜力逐渐受到关注。煤泥的高矿物含量使其在物理和化学特性上具有独特优势，尤其在孔隙结构和表面官能团方面表现出显著差异。这些特性决定了煤泥对CO?的吸附能力。因此，本研究旨在通过分析煤泥的孔隙结构和表面官能团，探讨其在CO?吸附中的作用机制，并评估不同煤泥样品的吸附性能，以期为CO?封存提供新的材料选择。

为了实现这一目标，本研究选取了四种具有代表性的煤泥样品，分别来自小庄煤矿（XZ）、金鸡滩煤矿（JJT）、黄陵煤矿（HL）和太西煤矿（TX）。这些煤泥样品在生产过程中经过压滤处理，从滤饼中取样后，按照国家标准进行破碎、筛分和干燥处理。随后，样品被密封保存以防止氧化，确保其在实验过程中的稳定性。通过扫描电子显微镜（SEM）分析，可以发现煤泥表面和周围存在大量层状黏土矿物，这些矿物附着在破碎的煤块上，导致孔隙结构被部分堵塞，影响了对煤泥表面的直接观察。此外，煤泥中的煤块颗粒细小且完整性较差，这主要是由于开采过程中煤块受到破坏所致。这种破碎状态不仅影响了煤泥的形态特征，还可能破坏原有的孔隙结构。

在实验中，采用Setaram-PCTPro高压力吸附仪器对四种煤泥样品进行了CO?等温吸附实验。该仪器的吸附压力上限约为4.5 MPa，因此实验设置为0.5至4.5 MPa，以0.5 MPa为梯度逐步增加。通过这些实验，可以测定煤泥样品在不同压力条件下的饱和吸附量。实验结果显示，随着煤泥的变质程度增加，其孔隙体积（PV）和比表面积（SSA）呈现出先降低后上升的趋势。这一变化模式与煤泥的孔隙分布特征密切相关，表明煤泥的物理结构对其吸附能力具有重要影响。

此外，通过元素分析和表面官能团分析，发现随着煤泥的煤阶升高，C-C和C-H键的含量呈现出先减少后增加的趋势，而COO?和O-C=O等官能团则随着煤阶升高逐渐减少。这种变化表明，煤泥的化学组成对其吸附能力具有显著影响。因此，煤泥对CO?的吸附能力不仅取决于其物理结构，还受到表面官能团类型和含量的调控。在实验过程中，四种煤泥样品的CO?吸附能力被依次排序为TX > JJT > XZ > HL，其中TX煤泥的极限吸附量达到36.638 cm3·g?1，显示出较高的吸附潜力。

在对煤泥吸附能力进行分析的基础上，本研究进一步探讨了其物理特性和化学特性对CO?吸附的影响。从物理角度来看，煤泥的孔隙体积和比表面积是影响其吸附能力的关键因素。随着煤泥的变质程度增加，其孔隙结构逐渐发生变化，导致吸附能力的波动。从化学角度来看，煤泥的表面官能团类型和含量对CO?的吸附具有决定性作用。不同煤泥样品中，COO?和O-C=O等官能团的分布差异显著，这可能是导致吸附能力排序不同的主要原因。

本研究的成果不仅有助于丰富CO?吸附材料的选择范围，还为废弃煤泥的资源化利用提供了新的思路。通过将煤泥与CO?共同填充到废弃矿井的采空区，不仅可以实现煤泥的大规模消耗，还能有效减少CO?的排放，同时对采空区起到填充和稳定作用。这种协同填充模式为煤炭行业实现绿色可持续发展提供了可行路径，同时也为CO?封存技术的发展提供了新的材料支持。

此外，本研究还对煤泥的表面形态、孔隙结构和官能团分布进行了系统分析，揭示了其在CO?吸附中的作用机制。通过SEM图像可以观察到，煤泥样品中存在大量层状黏土矿物，这些矿物附着在破碎的煤块表面，形成了一定的孔隙结构。然而，由于黏土矿物的存在，煤泥的孔隙结构被部分堵塞，影响了其吸附能力。因此，如何有效去除这些黏土矿物，以提高煤泥的吸附性能，成为进一步研究的方向。

在对煤泥的吸附能力进行评估后，本研究还探讨了比表面积（SSA）对CO?吸附的影响。实验结果显示，随着煤泥的比表面积增加，其极限吸附量也随之上升。这一趋势表明，比表面积是影响煤泥吸附能力的重要因素之一。然而，值得注意的是，通过CO?吸附方法测定的比表面积高于通过N?吸附方法测定的比表面积。因此，CO?吸附方法在测定煤泥比表面积方面具有更高的准确性，能够更真实地反映其吸附能力。

综上所述，本研究通过系统分析煤泥的物理和化学特性，揭示了其在CO?吸附中的作用机制。研究结果表明，煤泥的孔隙结构和表面官能团对其吸附能力具有显著影响，而比表面积和孔隙体积是决定吸附能力的关键因素。通过将煤泥与CO?协同填充到废弃矿井的采空区，不仅可以实现煤泥的大规模利用，还能有效减少CO?的排放，推动煤炭行业的可持续发展。此外，本研究的成果为CO?封存技术提供了新的材料选择，有助于拓宽CO?地质封存的应用范围，提高封存效率。