贵州省煤层气资源丰富,但抽采出来的煤层气大多为CH₄浓度低于30%的低浓度煤层气,无法直接利用,大部分只得排放到大气中。提高低浓度煤层气利用率的关键在于从CH₄/N₂混合气中分离浓缩CH₄。活性炭因具有比表面积大、孔隙结构发达、制备简单、成本低等优点成为工业上变压吸附法分离CH₄/N₂的主要吸附剂。根据吸附势理论,孔径分布在0.38-1.50 nm的吸附剂最有利于CH₄吸附,但目前活性炭制备存在孔径分布难以调控、微孔孔容较少的问题。针对该问题,本文以含钾化合物(KOH/KMn O₄、C₆H₅K₃O₇、CH₄N₂O/C₆H₅K₃O₇)为活化剂、纤维素水热碳化后形成的水热碳为碳源,通过机械力化学活化法制备活性炭。通过对前驱体进行TG-IR和XRD表征,研究其活化历程,对所制备的活性炭进行N₂吸附/脱附等温线、SEM、XPS、XRD、FT-IR等表征,研究其孔结构和表面化学性质,并采用静态容量法、动态穿透法评价所制备活性炭用于CH₄/N₂吸附分离性能。主要结果如下:1.机械力耦合KOH/KMn O₄化学活化法制备微孔碳及其对CH₄/N₂吸附分离性能研究。研究了球磨时间和KOH/KMn O₄添加比例对制备微孔碳孔结构及CH₄/N₂吸附分离性能的影响。结果表明,球磨法制备碳材料能有效提高其微孔孔容(V_mic)并形成更为狭窄的超微孔分布(最可几孔径为0.42/0.46 nm)。随球磨时间和KMn O₄添加量的增加,制备碳材料AC_X-QT(x=30,60,90 min;T=0.2,0.4,0.6)的V_mic先增大后降低。当球磨时间为60min、KMn O₄添加量为0.4(HTC:KOH:KMn O₄为1:1:0.4)时,制备碳材料AC_0.4-Q60的V_mic最大,为0.63 cm³/g。而V_mic为0.55 cm³/g的微孔碳AC_0.2-Q60显示最高的CH₄静态吸附容量(3.22 mmol/g,273 K、1 bar,下同),CH₄/N₂(0.2/0.8)选择性为7.82,这是由于AC_0.4-Q60表面含有过多含氧官能团,降低了与CH₄分子之间的相互作用力(色散力),使得孔结构和表面氧含量均适中的AC_0.2-Q60具有最高的CH₄静态吸附容量。此外,当模拟煤层气通过由AC_0.2-Q60填充的吸附柱后,可将CH₄浓度从20%提升至35.77%(CH₄/N₂/O₂=20%/64%/16%、10 ml/min、298 K、1bar,下同),且经六次吸附/脱附循环后仍具有出色的CH₄吸附稳定性。2.C₆H₅K₃O₇活化法制备微孔碳及其CH₄/N₂吸附分离研究。研究了活化条件对制备微孔碳孔结构及CH₄/N₂吸附分离性能的影响。结果表明,最佳工艺条件下(活化温度为800℃、活化时间为1 h、HTC:C₆H₅K₃O₇为1:1)制备碳材料ACQK_1-800-1的V_mic为0.46 cm³/g、最可几孔径为0.42 nm,其对CH₄静态吸附容量为2.57 mmol/g。对ACQK_1-800-1进行了不同吸附条件下(原料流速、浓度、吸附温度、吸附压力)的动态混合气穿透实验,结果表明,ACQK_1-800-1在任何条件下均能很好的分离CH₄/N₂混合气,但在低流速、低浓度、低温、高压下的分离效果最好。当模拟煤层气通过由ACQK_1-800-1填充的吸附柱后,可将CH₄浓度从20%提升至32.61%,且经六次吸附/脱附循环后仍具有出色的CH₄吸附稳定性。3.C₆H₅K₃O₇/CH₄N₂O活化法制备富氮微孔碳及其对CH₄/N₂吸附分离性能研究。研究了C₆H₅K₃O₇和CH₄N₂O添加量对制备微孔碳孔结构及CH₄/N₂吸附分离性能的影响。结果表明,N元素成功掺杂到碳骨架上。随C₆H₅K₃O₇添加量的增加,制备碳材料ACK_XN₁(X为加入C₆H₅K₃O₇含量)的V_mic先增大后降低,N元素含量逐渐降低,当C₆H₅K₃O₇添加量为2(HTC:C₆H₅K₃O₇:CH₄N₂O为1:2:1)制备碳材料ACK₂N₁的V_mic最大,为0.78 cm³/g,C/N为35.98,显示最高的CH₄静态吸附容量(3.00 mmol/g),CH₄/N₂(0.2/0.8)选择性为6.47。随CH₄N₂O添加量的增加,制备碳材料ACK₁N_Y(Y为加入CH₄N₂O含量)的V_mic先增大后减小,N元素含量逐渐增加,当CH₄N₂O添加量为2(HTC:C₆H₅K₃O₇:CH₄N₂O为1:1:2)时,制备碳材料ACK₁N₂的V_mic最大,为0.53 cm³/g,显示最高的CH₄静态吸附容量(2.84 mmol/g)。当模拟煤层气通过由具有最高CH₄吸附容量的ACK₂N₁填充的吸附柱后,可将CH₄浓度从20%提升至34.58%,且经六次吸附/脱附循环后仍具有出色的CH₄吸附稳定性。