贵州省拥有巨大的煤层气地质资源量,但由于其特殊的地形地貌导致开采出的煤层气CH₄浓度偏低,无法直接利用,因此有效分离富集煤层气中的CH₄是提高煤层气利用率的重点和难点。变压吸附法适于低浓度煤层气CH₄分离富集,而吸附剂是该技术实现的关键,其中碳材料因具有制备成本较低、制备方法简单、具有高比表面积与孔体积的优异结构等优点而被广泛应用,但在碳材料的制备中仍存在材料孔隙分布不均、微孔孔容较低等问题,从而导致碳材料对CH₄的吸附量较低及无法有效地对CH₄/N₂进行分离富集。基于K插层作用的KOH强碱活化法是一种增加碳材料超微孔孔容的有效方法,碳前驱体表面羧基(-COOH)与K⁺反应生成-COOK可实现将K引入碳前驱体中从而提高碳材料超微孔孔容。乙酸纤维素比纤维素具有更高的O/C比,且乙酸纤维素中乙酰基含量与含氧官能团,尤其是羧基(-COOH),呈线性相关性。同时,通过杂原子掺杂等方式增加材料表面的官能团,改变吸附剂的表面性质,以提高其催化作用和吸附性能。基于此,本文以纤维素衍生物作为原料,以钾的强碱或有机碱作为活化剂,在无溶剂下制备了一系列具有高微孔孔容且微孔分布均匀的碳材料,应用于低浓度煤层气CH₄/N₂的分离富集,内容如下:1.以水热碳化后的乙酸纤维素为碳源、KOH为活化剂,在无溶剂条件下制备碳材料,通过调节乙酸纤维素的乙酰基含量来调控表面羧基含量,从而影响碳材料的微孔孔容。结果表明,具有更高乙酰基含量的乙酸纤维素前驱体表面具有更多的含氧官能团,能固定更多的K⁺,所制备的材料在高温活化后具有更高的超微孔孔容且孔径分布均一,因而提高了对CH₄的吸附量。在活化温度为700°C、水热碳:KOH=1:2的较小比例下制备出的材料的微孔孔容为0.49 m~3/g,并密集分布在0.57-1.14 nm内;同时表现出优异的吸附效果,在273k,1bar下CH₄吸附量为3.18 mmol/g(下同),CH₄/N₂选择性为21.6,且具有较好的再生性能。2.为进一步提高材料的微孔孔容,同时降低由于KOH带来的强腐蚀性,以乙酰基含量为54.5%的乙酸纤维素为原料、KOH/KAc/CH₄N₂O共活化法制备碳材料。通过加入KAc来降低KOH的用量从而降低腐蚀性,同时加入CH₄N₂O将N元素引入到碳结构中,改变材料的表面性质。结果表明,KAc与CH₄N₂O的加入促进碳结构中微孔结构的发展,使得材料具有更高的微孔孔容。最佳制备条件(水热碳:KOH:KAc:CH₄N₂O=1:1:1:1,活化温度为800°C)下合成的材料具有大的微孔比表面积(1780 m~2/g)和微孔孔容(0.88 m~3/g),其对CH₄的吸附量为2.76 mmol/g,CH₄/N₂选择性为18.0,表现出较好的吸附分离性能。3.为提升碳材料中的N元素含量以此来改变材料的表面性质,同时提高材料的微孔孔容,以羧甲基纤维素与含氮有机碱1-甲基咪唑反应生成的聚离子液体为前躯体,碳化后与KOH混合制备碳材料。加入1-甲基咪唑后碳材料具有更好的稳定性、更高的N元素含量及更高的微孔比表面积(2489 m~2/g)。其中,N元素的掺杂使碳材料的活性位点增加,从而增加材料的缺陷结构得到更高的微孔孔容。在碳化碳:KOH=1:2、活化温度为800°C下制备的材料具有最佳的性能,其对CH₄吸附量为3.04 mmol/g,CH₄/N₂选择性为20.5,具有应用于低浓度煤层气中CH₄分离提纯的潜力。