在山西這片煤炭資源豐富的土地上，煤礦開采一直是重要產(chǎn)業(yè)。但長期以來，煤礦井下瓦斯的處理，尤其是低濃度瓦斯的利用，一直是困擾業(yè)界的世界級(jí)難題。如今，這個(gè)難題被來自山西的科研團(tuán)隊(duì)成功攻克，他們的成果不僅為煤礦安全生產(chǎn)提供了保障，更為清潔能源的開發(fā)利用開辟了新路徑。
瓦斯難題：能源與安全的雙重挑戰(zhàn)
瓦斯，主要成分是甲烷，在煤礦開采中從煤層逸出。它是一把雙刃劍，一方面，當(dāng)瓦斯在空氣中的含量達(dá)到5% - 15%時(shí)，遇明火就會(huì)爆炸，嚴(yán)重威脅礦井安全；另一方面，瓦斯作為一種清潔能源，具有巨大的開發(fā)潛力。
在我國，不同濃度的煤層氣大多已實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用，然而，濃度在2% - 8%之間的低濃度瓦斯卻成為“棄兒”。由于缺乏有效的利用技術(shù)，每年有超百億立方米的低濃度瓦斯被直接排放到大氣中，這不僅造成了能源的極大浪費(fèi)，還因其強(qiáng)大的溫室效應(yīng)（是二氧化碳的20倍），加劇了全球氣候變暖。
山西團(tuán)隊(duì)十年磨一劍，開啟技術(shù)攻關(guān)之路
2009年，一次學(xué)術(shù)會(huì)議上披露的低濃度瓦斯排放數(shù)據(jù)，讓懷柔實(shí)驗(yàn)室山西研究院副院長、太原理工大學(xué)教授李晉平深感震撼。會(huì)議結(jié)束后，他迅速組建團(tuán)隊(duì)，開啟了低濃度瓦斯提質(zhì)利用的研究。
團(tuán)隊(duì)初期面臨的難題是尋找一種高效的“分子捕手”材料。傳統(tǒng)的活性炭吸附劑在礦井高濕環(huán)境下，由于缺乏疏水性，會(huì)吸附大量水分子，導(dǎo)致甲烷吸附效率低下。而太原理工大學(xué)在沸石材料領(lǐng)域的研究積累，為團(tuán)隊(duì)提供了新思路。
沸石材料是一種晶態(tài)硅鋁酸鹽，自20世紀(jì)80年代起，太原理工大學(xué)就對(duì)其展開研究。這種材料具有離子交換性、吸附分離性及可逆脫水性等優(yōu)異性能，在多個(gè)領(lǐng)域被用作分子篩。團(tuán)隊(duì)成員楊江峰介紹：“沸石分子篩擁有獨(dú)特的架狀晶體結(jié)構(gòu)，其晶格中的四面體分子相互連接，形成大量內(nèi)部孔穴，具備過濾和吸附特性，我們認(rèn)為它可能是理想的‘分子捕手’。”
從材料篩選到技術(shù)突破，攻克重重難關(guān)
確定以沸石為研究方向后，團(tuán)隊(duì)面臨諸多挑戰(zhàn)。天然沸石孔徑大小不一，難以高效捕獲甲烷分子。要讓沸石成為低濃度瓦斯的“克星”，就必須對(duì)其進(jìn)行改性，精確調(diào)控孔徑至接近甲烷分子的動(dòng)力學(xué)直徑0.5納米，并增強(qiáng)疏水性。
從國際分子篩協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)庫收錄的200余種分子篩結(jié)構(gòu)中挑選合適結(jié)構(gòu)，猶如大海撈針。團(tuán)隊(duì)借助計(jì)算機(jī)軟件模擬和高倍顯微鏡觀察，對(duì)每種候選結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸、幾何構(gòu)型以及表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估與計(jì)算。經(jīng)過多年研究和海量篩選，2016年，團(tuán)隊(duì)成功識(shí)別出一類以硅、鋁元素為骨架構(gòu)建單元的分子篩結(jié)構(gòu)。
此時(shí)，楊江峰提出新見解：人工沸石分子篩的核心在于構(gòu)建與甲烷分子幾何構(gòu)型精密匹配的孔道結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)設(shè)定為把沸石孔道有效窗口直徑精確調(diào)控至約0.5納米，同時(shí)優(yōu)化合成配方，提高骨架硅鋁比，增強(qiáng)材料整體疏水特性。
在亞納米尺度上“雕刻”孔道尺寸，對(duì)技術(shù)精度要求極高，任何細(xì)微偏差都可能導(dǎo)致失敗。經(jīng)過25000余次艱難的配方與工藝優(yōu)化試驗(yàn)，2019年，團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出具備“超疏水”特性的硅鋁基人工沸石分子篩。
然而，新問題接踵而至。硅鋁基人工沸石分子篩在實(shí)際應(yīng)用中呈粉末形態(tài)，存在氣體擴(kuò)散阻力，影響應(yīng)用效能。關(guān)鍵時(shí)刻，李晉平提出將粉末制備為小晶粒沸石，增大外比表面積，提升瓦斯在沸石中的擴(kuò)散速率。
在嘗試將人工沸石粉末作為“晶種”加入合成溶液時(shí)，晶種意外解聚為更基礎(chǔ)的構(gòu)筑單元。但團(tuán)隊(duì)驚喜地發(fā)現(xiàn)，這些分散單元重新結(jié)晶后，形成了尺寸均一、約5納米的新顆粒，并自發(fā)團(tuán)聚成約500納米、形似紅細(xì)胞狀的聚集體。這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)不僅繼承了原始分子篩對(duì)小分子的優(yōu)異篩分能力，還在聚集體內(nèi)部顆粒間形成了自連“通道”，極大提升了瓦斯分子的擴(kuò)散速率與吸附動(dòng)力學(xué)性能。
經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化，團(tuán)隊(duì)最終制備出顆粒狀、具有“微孔—介孔—大孔”多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的硅鋁基人工沸石，甲烷吸附率高達(dá)80%。
技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，推動(dòng)能源產(chǎn)業(yè)變革
2023年，這項(xiàng)歷經(jīng)十余年研發(fā)的成果成功應(yīng)用于全國首個(gè)“移動(dòng)撬裝式低濃度煤層氣提濃裝置示范工程”。該吸附劑對(duì)低濃度煤層氣的提濃效果遠(yuǎn)超市面產(chǎn)品，且在含濕工況條件下分離富集性能穩(wěn)定，非常適用于中小規(guī)模煤礦企業(yè)低濃度煤層氣的提濃利用。
中北大學(xué)教授劉有智評(píng)價(jià)：“加快煤層氣的開發(fā)利用是推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的關(guān)鍵一環(huán)，也是保障國家能源安全的重要支撐力量。李晉平團(tuán)隊(duì)的成果，填補(bǔ)了2% - 8%超低濃度瓦斯規(guī)?；玫娜蚩瞻祝瑯?gòu)建了全域煤層氣高效梯級(jí)利用的完整技術(shù)鏈。”
李晉平表示，未來團(tuán)隊(duì)將加快技術(shù)推廣和創(chuàng)新探索腳步，為保障國家能源安全、推動(dòng)煤礦綠色低碳轉(zhuǎn)型提供強(qiáng)有力的科技支撐。
這項(xiàng)來自山西的科研成果，不僅彰顯了山西在能源領(lǐng)域的科研實(shí)力，更為全球能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)了寶貴的“山西智慧”和“中國方案”，有望引領(lǐng)能源革命邁向新的高度 。
來源：山西科技報(bào)新媒體
