破解世界性难题！太原理工大学团队“驯服”低浓度瓦斯

在煤矿百米深的井下，空气中游离的瓦斯（又称煤层气）如同一匹难以驯服的“烈马”：既是矿井安全的“头号大敌”，又属清洁能源战略资源。

如何将“烈马”驯化为“良驹”？

5月底，在中国科学院大气物理研究所等单位主办的专业研讨会上，怀柔实验室山西研究院副院长、太原理工大学教授李晋平介绍，经十余年攻关，其团队研发出人工沸石分子筛技术。这一技术实现了易散逸、难捕获甲烷的有效富集提浓，并将其转化为可发电的清洁能源。

“这一技术突破，解决了煤矿开采过程中浓度为2%—8%的瓦斯利用世界性难题，有望为低浓度瓦斯高效利用提供开创性技术方案。”李晋平说。

寻觅最佳“分子捕手”

瓦斯是赋存在煤层中以甲烷为主的烃类气体。当空气中瓦斯含量达到5%—15%时，遇到一丁点儿火星就会爆炸。

处理瓦斯，煤矿企业一般面临两种选择：通风抽放，或是直接利用。

目前，不同浓度的煤层气在我国大都可实现梯级利用，唯独浓度在2%—8%之间的低浓度瓦斯，因缺乏成熟的直接利用技术，往往只能随煤炭开采排放至空气中。李晋平团队研发的硅铝基人造沸石吸附剂，“盯”上的就是这一部分瓦斯。

时间回到2009年，当时还是博士研究生的杨江峰随李晋平参加一个学术会议时了解到，我国每年有超过百亿立方米的低浓度瓦斯被直接排放到大气，其温室效应强度是二氧化碳的20倍，这些无法有效利用的甲烷，实为被浪费的宝贵能源。

会议结束，李晋平就开始建立团队，启动了低浓度瓦斯提质利用的研究。

初期调研发现，传统活性炭吸附剂因缺乏疏水性，在矿井高湿环境中，含水瓦斯会使活性炭同步吸附大量水分子，导致甲烷吸附效率低下。于是，寻找性能更优的“分子捕手”材料成了首要任务。

自20世纪80年代起，太原理工大学在业内便开启了一项特色研究领域——沸石材料。该材料凭借离子交换性、吸附分离性及可逆脱水性等优异性能，在气体分离、石油净化及工业污染处理等领域被广泛用作分子筛。

“沸石分子筛，是具有分子‘筛分’作用的晶态硅铝酸盐，拥有独特的架状晶体结构。”杨江峰解释道，在其晶格中，四面体分子如同稳固框架相互连接，形成了大量内部孔穴，因而具有过滤和吸附的特性。

“我们隐约感到，沸石正是我们在寻找的理想‘分子捕手’材料。”如今已是太原理工大学教授的杨江峰回忆说。

雕琢甲烷专属“房间”

在确定了材料的研究方向之后，真正的挑战才刚刚开始。

天然沸石孔径大小不一，如同网眼疏漏的渔网。氢氦等小分子气体可轻易穿过，而甲烷这样的大分子也难以被高效捕获。

“在1立方微米的沸石材料上，存在上百万个孔穴。而这些孔道和孔穴的大小及形状，正是决定其筛选分子能力的关键因素。”李晋平团队尝试对沸石进行改性：精确调控孔径，使其接近甲烷分子的动力学直径——0.5纳米，同时增强疏水性，以确保在矿井潮湿环境下仍具备高效吸附能力。

然而，在启动上述步骤之前，团队还面临着一个艰巨任务：从国际分子筛协会数据库收录的200余种分子筛结构中，挑选出一个合适的结构，然后进行对照调整和优化。由于此前尚无人工沸石应用于低浓度瓦斯提质的先例，这一过程无异于大海捞针。

团队从扎实的基础研究起步。他们借助计算机软件模拟，并利用高倍显微镜对每种候选结构的孔径尺寸、几何构型以及表面化学性质，进行系统评估与计算。

经过持续研究及海量筛选，团队于2016年成功识别出一类以硅、铝元素为骨架构建单元的分子筛结构。

此时，杨江峰提出了新的见解：传统吸附剂依赖表面静电作用力，人工沸石分子筛的核心则在于构建与甲烷分子几何构型精密匹配的孔道结构。团队目标设定为：将沸石孔道有效窗口直径精确调控至约0.5纳米。此外，通过优化合成配方，提高骨架硅铝比，显著增强材料整体疏水特性。

在亚纳米尺度上“雕刻”孔道尺寸，犹如在钢丝上舞蹈，任何细微偏差都关乎成败。“硅原子与铝原子作为分子筛骨架‘基石’，其比例直接影响吸附剂性能。如同烹饪，原料配比决定最终风味。”杨江峰比喻道。

历经25000余次艰难配方与工艺优化试验，该团队于2019年成功研发出具备“超疏水”特性的硅铝基人工沸石分子筛。

构筑气体高效通行“路网”

硅铝基人工沸石分子筛问世后，研究团队在实际应用中发现，其粉末形态在吸附过程中存在气体扩散阻力，影响实际应用效能。

关键时刻，李晋平提出了关键思路：将粉末制备为小晶粒沸石，通过增大外比表面积，提升瓦斯在沸石中的扩散速率，为气体扩散开辟更多通道。

于是，团队将优中选优、结构完美的人工沸石粉末作为“晶种”加入合成溶液，期望“晶种”能在溶液中生长形成颗粒。

然而，在特定反应条件下，晶种不仅没有生长，反而发生了解聚——分解为更基础的构筑单元。但令人惊喜的是，这些分散的单元随后重新结晶，快速生长出尺寸均一、约5纳米的新颗粒，并最终自发团聚形成了约500纳米、形似红细胞状的聚集体。

团队发现，这种独特的结构不仅完美继承了原始分子筛对小分子的优异筛分能力，同时，在聚集体内部颗粒间形成了尺寸为数十至数百纳米的自连“通道”。

李晋平打了个比方说：“这就如同在一栋原本仅有密集小房间的建筑中，巧妙开辟了连接各层的‘楼道’和宽敞的‘出入大厅’，构建起气体高效通行的‘路网’，极大提升了瓦斯分子的扩散速率与吸附动力学性能。”

经过多轮迭代优化，团队最终成功制备出颗粒状、具有“微孔—介孔—大孔”多级孔道结构的硅铝基人工沸石。该吸附剂甲烷吸附率高达80%。2023年，这项成果应用于全国首个“移动撬装式低浓度煤层气提浓装置示范工程”。

“该吸附剂非常适用于中小规模煤矿企业低浓度煤层气的提浓利用。”中北大学教授刘有智评价道，加快煤层气的开发利用是推进能源生产和消费革命的关键一环，也是保障国家能源安全的重要支撑力量。

李晋平表示，目前团队已填补了2%—8%超低浓度瓦斯规模化利用的全球空白，构建了全域煤层气高效梯级利用的完整技术链。展望未来，李晋平说：“我们将加快煤层气开发利用，加快技术推广和创新探索脚步，为保障国家能源安全、推动煤矿绿色低碳转型提供强有力的科技支撑。”

原标题：低浓度瓦斯“驯服”记

来源：科技日报