碳基纳米促进剂强化水合物法提纯低浓度煤层气的机理与性能研究

为解决低浓度煤层气(LCCBM)分离效率低、甲烷(CH4)回收率不足的难题，研究人员开发了两种新型碳基纳米促进剂（-SO3?@GO和PSCS@CNTs），通过水合物法实现了CH4高效分离。实验表明，最佳浓度下CH4回收率分别达54.47%和57.30%，且循环性能优异。该研究为LCCBM绿色提纯提供了新策略，具有重要工业应用价值。

　　

煤层气作为重要的非常规天然气资源，全球储量高达260万亿立方米，但其低浓度组分（CH₄浓度<30%）存在利用率低、安全隐患大等问题。传统分离技术如变压吸附和低温液化存在能耗高、设备复杂等缺陷，而水合物法虽具有绿色低碳优势，却受限于缓慢的动力学过程和低分离效率。如何突破这一技术瓶颈，成为能源化工领域亟待解决的难题。

中国某高校研究团队在《Fuel》发表最新成果，创新性地设计出两种碳基纳米促进剂：通过将-SO₃^?基团锚定在氧化石墨烯层（-SO₃^?@GO）和用含-SO₃^?的大分子链PSCS包覆碳纳米管（PSCS@CNTs），显著提升了水合物法提纯LCCBM的效率。研究发现，在四氢呋喃(THF)存在下，两种促进剂表现出浓度依赖性增强效应，最优条件下CH₄回收率分别达54.47%和57.30%，且经6次循环后性能衰减不足5%。该工作为低浓度煤层气的规模化提纯提供了创新性解决方案。

研究采用改性Hummers法制备GO，通过重氮化反应固定-SO₃^?基团；利用自由基聚合法合成两亲性共聚物PSCS并包覆碳纳米管。通过高压反应釜（3 MPa, 276.2 K）进行水合物形成实验，结合气相色谱分析气体组成，计算分离因子(SF)和CH₄回收率(Re)。表征手段涵盖SEM/TEM形貌分析、拉曼光谱和N₂吸附-脱附测试等。

材料表征揭示结构优势
-SO₃^?@GO的拉曼光谱ID/IG比从0.83增至1.12，证实磺化引入更多sp²杂化域；XRD显示层间距扩大至2θ=10.78°，有利于气体吸附。PSCS@CNTs的FT-IR在1142 cm^?1出现-SO₃^?特征峰，且平均孔径达19.99 nm，为CH₄选择性吸附创造有利条件。

浓度依赖性增强效应
-SO₃^?@GO在0.75 g/L时t₉₀（达到90%气体消耗的时间）最短，CH₄浓度提升101.02%。PSCS@CNTs在0.15 g/L时表现最佳，但浓度超过0.25 g/L会导致N₂水合物共生成，使CH₄回收率骤降24.50%。

循环性能突破
-SO₃^?@GO经6次循环后，CH₄回收率仅降低4.99%，归因于-SO₃^?基团的稳定锚定。PSCS@CNTs虽因高分子链部分脱落导致气体消耗量下降9.39%，但分离因子保持稳定，证明碳管孔隙结构的持久选择性。

该研究通过精准设计纳米材料界面特性，首次实现碳基促进剂对水合物法提纯LCCBM的双重增强（动力学加速与选择性提升）。相比传统石墨烯纳米颗粒系统，工作压力降低16.7%（3 MPa vs 3.6 MPa），且适用于CH₄浓度更低（21.59 mol%）的原料气。研究成果为煤层气绿色开发提供了可工业化的技术路径，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。