哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
挥发性有机污染物（VOCs）作为颗粒物和臭氧的重要前驱体，其高效脱除
是控制区域大气复合污染的关键。吸附技术作为目前VOCs治理的主流技术之一，
其关键在于开发低成本、高性能的吸附材料。活性焦由于具有原料来源广、比表
面积高、结构可调性好等优势，被广泛应用于VOCs吸附过程。目前的商用活性
焦多为成型活性焦，制备过程经历造粒、粘结、成型等复杂工艺，面临制备成本
高、比表面积低的挑战。相比之下，不定型活性焦由于制备过程中无需二次成型，
内外表面活化均匀，具有成本低、孔隙发达、位点利用率高的优势，是具有
VOCs高效吸附潜力的吸附剂材料。本文以中国典型煤阶的煤为原料，基于物理
活化法制备了系列具有典型孔隙结构的不定型活性焦，以此为平台探究了不定型
活性焦孔隙调控规律及孔隙配组对甲苯吸脱附特性的影响。
本文首先分别以四种典型煤阶的去灰煤和原煤为原料，探究了煤的理化结构
和灰分组成对不定型焦孔隙结构的影响。对于煤的理化结构，研究结果表明随着
煤阶的升高，煤的缺陷结构和无定形碳组分降低，石墨化结构增加，从而削弱了
煤在物理活化过程中的反应活性，使制备的不定型活性焦比表面积降低。其中，
2
去灰的宝日希勒褐煤制备的活性焦比表面积为504.87m/g，去灰的太西无烟煤制
2
备的活性焦比表面积仅为186.66m/g。对于原煤中的灰分，低阶原煤灰分中的碱
金属盐含量较高，对孔隙发展及中大孔的形成具有促进作用。宝日希勒褐煤灰分
2
中碱金属盐含量接近2%，其制备的不定型活性焦比表面积759.61m/g，中大孔
孔容占比高达84.10%。
进一步采用四种具有不同孔隙配组的不定型焦为吸附剂，探究不定型焦孔隙
配组对甲苯吸附解吸的影响。研究发现，活性焦对甲苯的吸附特性主要取决于微-
孔结构，具有最高微孔孔容的活性焦展现了最优的甲苯吸附性能，室温条件下饱
和吸附容量高达340.92mg/g。活性焦的解吸特性主要取决于中大孔结构，相比于
微孔活性焦，具有发达中大孔结构的BR-AC和ZD-AC展现了优异的循环利用性
能，4次循环吸附-解吸实验后吸附容量衰减仅为8.15%和8.45%，而微孔活性焦
4次循环吸附解吸实验后吸附容量衰减高达-30%。微孔与中大孔分级配组能够实
现甲苯高容量吸附与快速率解吸的协同。
最后考虑工业运输和实际应用过程中，不定型焦都会受到机械力作用而引起
MAC
性能差异。以准东煤制备的活性焦和一种商业柱状活性焦（）为研究对象，
通过采用粉碎机、转毂磨损以及球磨的机械处理方式，深入研究不同强度下机械
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
力作用对不定型焦粒径、表面形貌、孔隙结构和甲苯吸附特性的影响机理。结果
表明，短时间机械力作用导致活性焦内部一部分原来被压缩或隐藏的孔隙和表面
得到了暴露，孔隙结构明显增加。转毂磨损十次后，准东活性焦样品的比表面积
22
由559.34m/g增加至679.27m/g，增加了21.44%，准东活性焦表现出了良好的
耐磨性能。转毂磨损十次后，室温下两个系列活性焦样品的甲苯饱和吸附量分别
27.71%31.71%
增加了和。而长时间、高强度的机械力作用会使活性焦颗粒发生
压缩和磨损，内部孔隙结构坍塌，从而导致孔隙容积的减少。
本文不仅为设计活性焦（炭）孔隙结构以实现VOCs的强吸附快解吸提供了-
指导，同时也对实际应用过程中机械力作用下活性焦（炭）孔隙结构演变机制提
供了新的认识，研究结果对优化不定型活性焦在VOCs吸附解吸过程中的应用具-
有重要意义。
关键词：不定型活性焦；孔隙结构；甲苯；