羟自由基降解瓦斯反应体系及效应研究

瓦斯灾害是我国煤矿最严重的灾害之一，不仅造成重大人员伤亡和财产损失，而且造成了恶劣的社会影响；煤矿瓦斯既是一种洁净能源同时又是主要的大气污染源。煤矿瓦斯的主要成分甲烷分子稳定，常规方法难以有效中和，而羟自由基（oOH）具有强氧化性高电负性，是大气中甲烷的降解源，排放到大气中的甲烷气体主要通过羟自由基沉降。羟自由基降解甲烷在环境科学领域已进行了相关研究工作，但在煤矿安全领域尚属空白。本项目拟通过对羟自由基反应体系的优选、羟自由基反应体系的影响因素、羟自由基降解瓦斯反应速率及效果、羟自由基降解瓦斯的反应机制等研究，建立适合降解煤矿瓦斯的羟自由基反应体系及测试系统，研究得出不同气体成分、浓度、环境温度等条件下，羟自由基降解瓦斯的速率和效果，揭示羟自由基降解瓦斯的化学反应机制，提出提高降解瓦斯效果的方法，为煤矿瓦斯灾害防治和节能减排提供新的技术手段奠定理论基础。

本项目开展了Ga2O3、TiO2膜紫外光光催化降解煤矿瓦斯的探索工作，设计了紫外光Ga2O3、TiO2膜光催化降解瓦斯的实验装置，并对瓦斯光降解实验进行了尝试性研究。最终设计并搭建了Fenton试剂产生的羟自由基降解瓦斯实验系统和检测系统，利用该系统进行瓦斯降解实验研究，系统研究了反应时间、H2O2浓度、Fe2+浓度、初始pH值、温度等因素对羟基自由基产生量及瓦斯降解效率的影响；理论分析了Fenton试剂氧化降解瓦斯的反应动力学和动力学规律；进一步研究了不同掺杂离子对Fenton试剂稳定性、羟自由基产生量、瓦斯降解效率的影响，应用量子化学理论验证了掺杂离子能提高Fenton试剂的稳定性和降解瓦斯效应，为高效降解瓦斯提供理论依据。申请发明专利2项，获批实用新型专利2项，发表学术论文20篇，完成预期研究任务和目标。. 研究结果表明，Fenton试剂产生的羟基自由基∙OH可有效氧化降解煤矿瓦斯（甲烷）。其中反应时间、H2O2浓度、Fe2+浓度、初始pH值、反应温度等是甲烷有效降解的主要影响因素；当反应时间为30min、c(H2O2)=100 mmol/L、c(Fe2+)=2.0 mmol/L、初始pH为2.5时，瓦斯的降解率可达25%。动力学分析可知Fenton试剂氧化降解甲烷符合一级反应动力学，而且总反应体系中甲烷降解速率常数与羟自由基氧化甲烷的速率常数呈H2O2浓度、Fe2+浓度的二元幂次方关系。掺杂Mg2+离子有利于通过截断自由基链分解反应提高Fenton 试剂稳定性，进而提高氧化降解煤矿瓦斯的能力，当Mg2+浓度为0.5mmol/L时，可以将传统Fenton 试剂氧化降解煤矿瓦斯的效应从25%提高到40%。