电化学作用对贫煤瓦斯吸附解吸特性影响的实验及机理研究

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我国贫煤瓦斯资源量丰富,开发潜力大,但试验性开采的产量很不理想。已有研究成果表明,电化学改性可以降低煤瓦斯的吸附量,提高瓦斯解吸率,但鲜见以贫煤作为研究对象。鉴于此,本文对采自山西焦煤集团有限责任公司东曲矿9号煤层的贫煤样进行了电化学改性实验,分析了电位梯度和电解液酸碱性对电化学改变贫煤瓦斯吸附解吸特性的影响,并从孔隙结构和表面特征的角度对影响机理进行了解释。本文的主要工作和取得的主要结论如下:(1)在Na2SO4电解液的条件下,分别用1 V/cm、2 V/cm和4 V/cm的电位梯度对贫煤样进行了电化学改性实验,并对改性前后贫煤样的瓦斯吸附解吸特性进行了测试,结果表明:自然贫煤样吸附瓦斯时的饱和吸附量为30.03 ml/g,Langmuir压力为0.88 MPa,瓦斯最终解吸率为83.20%。改性时电位梯度越大,改性后贫煤样吸附瓦斯的能力越低,瓦斯最终解吸率越高。当电位梯度为4 V/cm时,阳极区域与阴极区域改性煤样的饱和吸附量分别降至26.67 ml/g和27.25 ml/g,Langmuir压力分别升至1.05 MPa和1.03 MPa,瓦斯最终解吸率分别升至87.84%和86.90%。电位梯度影响电化学改变贫煤瓦斯吸附解吸特性的机理为:在Na2SO4电解液的条件下,改性时电位梯度越大,改性过程中的电荷转移量越大,导致电化学改性对贫煤样的“扩孔”效应越强,改性后贫煤样含氧官能团含量越多,脂肪烃支链越少,表面自由能越低,抑制瓦斯吸附、促进瓦斯解吸的效果越好。(2)在4 V/cm的电位梯度下,分别用H2SO4、Na2SO4和Na OH电解液对贫煤样进行了电化学改性实验,并对改性后贫煤样的瓦斯吸附解吸特性进行了测试,结果表明:用H2SO4电解液电化学改性的贫煤样吸附瓦斯的能力最低,瓦斯最终解吸率最高,阳极区域和阴极区域改性煤样的饱和吸附量分别为23.70 ml/g和24.33 ml/g,Langmuir压力分别为1.15 MPa和1.12 MPa,瓦斯最终解吸率分别为90.10%和89.28%。用Na2SO4电解液改性与用H2SO4电解液改性的趋势基本一致,但效果次之。用Na OH电解液改性后贫煤样吸附瓦斯的能力增强,瓦斯最终解吸率降低,阳极区域与阴极区域改性煤样的饱和吸附量分别为31.85 ml/g和32.79 ml/g,Langmuir压力分别为0.81 MPa和0.80 MPa,瓦斯最终解吸率分别为82.12%和81.71%。电解液酸碱性对电化学改变贫煤瓦斯吸附解吸特性的影响机理为:在4V/cm的电位梯度下,H2SO4电解液电化学改性时的电荷转移量最大,导致其对贫煤样的“扩孔”效应最为明显,改性后贫煤样的含氧官能团含量最多,脂肪烃支链最少,表面自由能最小,抑制瓦斯吸附、促进瓦斯解吸的效果最好;用Na2SO4电解液改性与用H2SO4电解液改性的趋势基本一致,但效果次之;而Na OH电解液电化学改性后的贫煤样,比表面积增大,平均孔径减小,含氧官能团含量减少,脂肪烃支链增多,表面自由能增大,对瓦斯的吸附能力增强,不利于瓦斯解吸。(3)在相同电位梯度和同种电解液的条件下,阳极区域改性煤样与阴极区域改性煤样相比,比表面积更小,平均孔径更大,含氧官能团含量更多,脂肪烃支链更少,表面自由能更小,因此甲烷分子的吸附点位更少,对甲烷分子的束缚能力更弱,瓦斯更难吸附更易解吸。
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