Modulating Acidic Oxygen-Containing Functional Groups on Coal-Based Activated Carbon to Enhanced Methane Adsorption and Diffusion

吸附 甲烷 化学 氧气 扩散 活性炭 碳纤维 化学工程 无机化学 环境化学 有机化学 材料科学 热力学 工程类 复合材料 物理 复合数
作者
Xinxin Liu,Qingzhao Li,Jianyun Zhu,Jingxuan Ren,Xinyuan Li,Feixiang Zhong,Xiong Ding
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:41 (29): 19252-19269
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.5c01640
摘要

The key to achieving efficient enrichment of low-concentration coal mine gas via pressure swing adsorption lies in the coordinated modulation of the adsorbent's pore architecture and surface chemical properties. This study examines methane adsorption on coal-based activated carbon modified via preoxidation and controlled KOH activation. At an optimal carbon to alkali ratio of 1:4, the material developed a micropore- and small mesopore-dominated structure, comprising 91.26% of the total pore volume. Structural evolution involved selective hydroxyl removal and surface group reorganization, with a CH2/CH3 ratio of 5.95 indicating enhanced physisorption potential. Oxygen-containing groups such as carboxyl and carbonyl contributed to localized electrostatic interactions, improving methane affinity. The adsorption process followed a two-stage diffusion mechanism: boundary layer transfer (kL = 1.02 × 10-4 m/s) and micropore diffusion (DeP = 2.55 × 10-12 m2/s). Above the critical surface coverage θ0, diffusion resistance sharply increased, reducing diffusivity by 91%. These results highlight the importance of synergistic pore and surface modulation in optimizing adsorbent performance for methane capture and separation.
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