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)界的世界級難題。如今，這個難題被來自山西的科研團隊成功攻克，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，當瓦斯在空氣中的含量達到5% - 15%時，遇明火就會爆炸，嚴重威脅礦井安全；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現(xiàn)梯級利用，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，還因其強大的溫室效應(yīng)（是二氧化碳的20倍），加劇了全球氣候變暖。
山西團隊十年磨一劍，開啟技術(shù)攻關(guān)之路
2009年，一次學術(shù)會議上披露的低濃度瓦斯排放數(shù)據(jù)，讓懷柔實驗室山西研究院副院長、太原理工大學教授李晉平深感震撼。會議結(jié)束后，他迅速組建團隊，開啟了低濃度瓦斯提質(zhì)利用的研究。
團隊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。而太原理工大學在沸石材料領(lǐng)域的研究積累，為團隊提供了新思路。
沸石材料是一種晶態(tài)硅鋁酸鹽，自20世紀80年代起，太原理工大學就對其展開研究。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，在多個領(lǐng)域被用作分子篩。團隊成員楊江峰介紹：“沸石分子篩擁有獨特的架狀晶體結(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，團隊面臨諸多挑戰(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”，就必須對其進行改性，精確調(diào)控孔徑至接近甲烷分子的動力學直徑0.5納米，并增強疏水性。
從國際分子篩協(xié)會數(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。團隊借助計算機軟件模擬和高倍顯微鏡觀察，對每種候選結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸、幾何構(gòu)型以及表面化學性質(zhì)進行系統(tǒng)評估與計算。經(jīng)過多年研究和海量篩選，2016年，團隊成功識別出一類以硅、鋁元素為骨架構(gòu)建單元的分子篩結(jié)構(gòu)。
此時，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)。團隊將目標設(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，同時優(yōu)化合成配方，提高骨架硅鋁比，增強材料整體疏水特性。
在亞納米尺度上“雕刻”孔道尺寸，對技術(shù)精度要求極高，任何細微偏差都可能導(dǎo)致失敗。經(jīng)過25000余次艱難的配方與工藝優(yōu)化試驗，2019年，團隊成功研發(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際應(yīng)用中呈粉末形態(tài)，存在氣體擴散阻力，影響應(yīng)用效能。關(guān)鍵時刻，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散速率。
在嘗試將人工沸石粉末作為“晶種”加入合成溶液時，晶種意外解聚為更基礎(chǔ)的構(gòu)筑單元。但團隊驚喜地發(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)團聚成約500納米、形似紅細胞狀的聚集體。這種獨特結(jié)構(gòu)不僅繼承了原始分子篩對小分子的優(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散速率與吸附動力學性能。
經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化，團隊最終制備出顆粒狀、具有“微孔—介孔—大孔”多級孔道結(jié)構(gòu)的硅鋁基人工沸石，甲烷吸附率高達80%。
技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，推動能源產(chǎn)業(yè)變革
2023年，這項歷經(jīng)十余年研發(fā)的成果成功應(yīng)用于全國首個“移動撬裝式低濃度煤層氣提濃裝置示范工程”。該吸附劑對低濃度煤層氣的提濃效果遠超市面產(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。
中北大學教授劉有智評價：“加快煤層氣的開發(fā)利用是推進能源生產(chǎn)和消費革命的關(guān)鍵一環(huán)，也是保障國家能源安全的重要支撐力量。李晉平團隊的成果，填補了2% - 8%超低濃度瓦斯規(guī)?；玫娜蚩瞻?，構(gòu)建了全域煤層氣高效梯級利用的完整技術(shù)鏈。”
李晉平表示，未來團隊將加快技術(shù)推廣和創(chuàng)新探索腳步，為保障國家能源安全、推動煤礦綠色低碳轉(zhuǎn)型提供強有力的科技支撐。
這項來自山西的科研成果，不僅彰顯了山西在能源領(lǐng)域的科研實力，更為全球能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻了寶貴的“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：山西科技報新媒體
