[发明专利]一种用于低浓度煤层气脱氧的煤基碳纳米管及其制备和纯化方法

说明书

本发明属煤层气脱氧技术领域，提供一种用于低浓度煤层气脱氧的煤基碳纳米管及其制备和纯化方法。煤基碳纳米管为烟煤催化热解所得到的煤表面连接的碳纳米管；初始煤基碳纳米管中碳纳米管占煤质量百分比为10‑20 wt%。成本较低，并且煤本身有多孔的特性，促使煤基碳纳米管成为一个具有多孔结构的活性炭纳米管。用煤基碳纳米管能处理高含氧煤层气并同时纯化煤基碳纳米管，整个过程对煤层气安全高效利用提供了一个新思路，节能减排并拓宽利用途径。微波加热可以使介电常数更高的煤基碳纳米管升温，避免了高含氧煤层气的加热过程，使得整个过程避免了爆炸的温度而更加安全。用微波加热煤料使煤料升温更容易，也保证了煤料温度不宜过高和过快。

技术领域

本发明属于煤层气脱氧技术领域，具体涉及一种用于低浓度煤层气脱氧的煤基碳纳米管及其制备和纯化方法，特别是在煤层气脱氧过程中降低了氧气含量同时生产得到纯度更高煤基碳纳米管。

背景技术

碳纳米管因其独特的一维结构在力学、电学、热学及吸附等方面具有优异的特性而被广泛使用，但是昂贵的碳纳米管价格严重限制着其大规模应用市场。开发宏量制备低成本碳纳米管的技术已成为碳纳米材料领域最具挑战性的方向之一。

煤基碳纳米管指的是以煤为基底生产的包含煤基材料的碳纳米管，ZL201810309097.2和ZL 201810590741.8均为用煤直接热解制备煤基碳纳米管的工艺，利用固体煤在催化剂条件下炭化，这种方法极大程度的缩减了碳纳米管的制备工艺，制备完成后有时会存在煤基部分并影响碳纳米管的纯度，因此需要在制备的煤基碳纳米管的基础上进行进一步纯化。

ZL 201711086932 .2利用煤的热解气制备石墨和碳纳米管，但并未进行纯化工艺，得到的煤基碳纳米管纯度低。

煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。煤层气中含氧时增加了处理难度，主要因为甲烷中含氧气的爆炸极限为5-15%，生产企业稍微处理不慎就会造成爆炸等严重的工业事故，因此要求处理后的煤层气中氧气的含量必须低于爆炸极限。

煤本身就是一个很好的多孔吸附材料，当碳纳米管与煤紧密结合时，煤基碳纳米管的吸附性能更加得到提高，煤基碳纳米管吸附的停留过程是让吸附的氧气在煤表面形成含氧官能团，并可以作为碳纳米管生长的基底，同时吸附氧气也有助于降低部分煤层气中的含氧浓度。煤在低温条件下，本身就会被空气中的氧气氧化形成CO或者CO₂，而碳纳米管得失电子过程有助于氧化过程的加快，所以在低温氧化下，能显著降低煤层气中的氧气含量，是煤层气更加纯净，也减少了后续爆炸的可能性，同时煤被氧气氧化形成CO或者CO₂过程也是碳纳米管的纯化过程，因此技术上实行了综合利用过程。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种用于低浓度煤层气脱氧的煤基碳纳米管及其制备和纯化方法。

本发明由如下技术方案实现的：一种用于低浓度煤层气脱氧的煤基碳纳米管，所述煤基碳纳米管为烟煤催化热解所得到的煤表面连接的碳纳米管；其中：初始煤基碳纳米管中碳纳米管占煤质量百分比为10-20 wt%。

制备所述的用于低浓度煤层气脱氧的煤基碳纳米管的方法，步骤如下：

（1）称取破碎后的煤基碳纳米管100份，将其置于低空速的含氧煤层气中，利用煤基碳纳米管对含氧煤层气进行氧吸附过程，持续1-2h；

（2）步骤(1)氧吸附过程完成后，将煤基碳纳米管以1-10℃/min的升温速率升温到100-300℃，并在该温度下保持10-60 min，完成后将煤基碳纳米管移动至含有微波加热器和搅拌装置的反应器中；