天然石墨--形成的实验证据和特殊应用

简要讨论了碳前驱物的石墨化现象,总结了当有或无其他矿物共存环境下碳材料在承压条件下发生石墨化的实验结果。以这些实验研究成果为基础,讨论了自然界石墨生成的机理。此外,对天然石墨的某些特殊应用作了综述,如用作可再充电锂离子电池的阳极材料,特别是片状石墨用作泄漏重油的吸附材料等。     

脉冲电解处理石油废水的实验研究

石油废水中含有多种有机物,成分复杂,其治理是当今急需解决的问题.用自制的反应器以石墨为电极材料,应用脉冲电解方法,进行处理石油废水的实验.实验结果表明:在电解时间 30 min,电解电压 10 V,脉冲电源频率 3 750 Hz,占空比 50 %,pH＝9,电极间距 2.5 cm,电极直径 1.0 cm,电解质浓度 0.2 % 的条件下进行电解,废水的处理效果可达到 89 % 以上.处理后的废水低于国家第二类污染物最高允许排放浓度的二级排放标准.脉冲电解法不但处理含油废水效果显著,而且设备简单,易于操作,为处理石油废水提供了一项新技术.     

石油类污染物在土壤中的吸附/解吸机理研究及展望

石油类污染物在土壤中的吸附与解吸研究是目前土壤学及环境科学研究的重要领域,石油类污染物在土壤中的吸附/解吸影响因素、机理及研究方法已有大量研究,但由于吸附/解吸传统研究方法受各种参数的限制,对影响因素、吸附模式、机理的研究难以进一步深入,多种影响因素之间的相互作用也是一个重要的研究方向;石油类污染物的吸附模式随着吸附方式的不同而适用于不同土壤的吸附,而用SPE技术可以从分子水平来认识吸附/解吸的本质。同时本文提出了石油类污染物在土壤中吸附/解吸机理研究中存在的问题,并展望未来的发展趋势。     

水力截获技术在治理地下水石油污染中的应用

用数学模型模拟污染治理前石油类污染物在地下水中的运移,求得相应的水量模型和水质模型的参数。当水力截获带运行时,用新的监测资料对已建立的数学模型进行了检验和预报;水力截获技术不但可以去除地下水中的部分石油类污染物,而且还能防止已污染的高浓度水体的进一步扩散,起到了保护水源地的作用。     

多年冻土区石油污染物迁移过程试验研究

中俄原油管道原油泄漏造成的环境污染和环境岩土工程问题是目前迫切需要解决的重要问题。通过淋滤作用下的石油污染物迁移过程室内模拟试验,研究了石油污染物在冻土区的迁移过程和迁移特征,研究发现：石油污染物在迁移过程中,油、水、气三相流体存在一个动态的平衡过程,其三者共同占据土样中的孔隙空间;石油污染物在冻土区迁移主要经历3个过程：吸附、迁移和聚集;石油污染物在迁移过程中,其各个成分和各烃类化合物迁移能力都有所不同,烃类化合物中碳数和烃类结构影响其迁移速度;冻土层对石油污染物的迁移具有明显的阻碍作用,可有效防治土壤深层次污染。研究成果为冻土区石油污染物多相流（油、水、气）水热质迁移动力学模型的建立以及石油污染引起的岩土工程特性变化等研究奠定了重要的基础     

油气田地区土壤-水环境中有机污染的数值模拟及模型预测

针对油气田地区的地下水污染日益突出问题，文章综合考虑石油类有机污染物在包气带中扩散、吸附解吸、分配和生物降解等环境行为，建立了土壤－水环境体系有机污染物迁移转化的非平衡动力学模型，并编制了RBCA有限元程序，预测污染物在土壤－水环境中浓度分布变化趋势，探讨了模拟参数κd、κ变化对有机污染物迁移的影响。模拟结果表明：吸附解吸速率参数的变化对污染物达到平衡状态起着决定性作用，其结果可为定量研究有机污染物在土壤－水环境中的归宿提供可靠的理论根据，同时为油气田勘探开发过程中的污染控制与治理措施提供依据和理论指导。     

黏土矿物污染控制材料及其高效利用

黏土矿物具有特殊的纳米片层结构、含可交换性层间阳离子、微观结构及表面物理化学性质易调控;因此,黏土矿物及其改性产物对多种环境污染物有良好的吸附/催化性能,在污染控制领域有良好的应用前景。近年来,课题组以蒙脱石和层状双金属氢氧化物(LDH)为代表,研究了它们在污染控制领域的资源利用:1)研究了蒙脱石、LDH、LDO(LDH煅烧产物)对染料分子的吸附特征,发现它们对染料分子的吸附性能可优于活性炭;通过碳化处理废弃黏土矿物的方法,制备了系列类石墨烯纳米碳材料及多孔碳材料,所得碳材料显示了良好的电催化性能或吸附性能。2)研究了蒙脱石对重金属离子的吸附特征,并通过热处理实现了重金属离子的层间域/片层结构内的原位锁定。3)研究了羟基金属改性蒙脱石对重金属离子和含氧酸根的协同吸附机制,并发现吸附产物(如吸附了磷酸根和Cu2+的羟基铁柱撑蒙脱石)可用于光催化降解有机污染物。4)综合运用实验研究和分子模拟技术,研究了有机改性蒙脱石对疏水性有机污染物的吸附机制,发现表面活性剂堆垛密度是决定有机黏土吸附性能的关键因素,并采用阳离子聚合物来调控层间域表面活性剂堆垛密度,优化了有机黏土吸附性能。5)采用阳离子表面活性剂和羟基金属共同插层的方法,制备了有机-无机复合蒙脱石,发现了其能同时吸附有机物和含氧酸根离子。课题组的研究工作综合运用了实验研究和分子模拟,包括了基础理论研究和应用研究,涉及了黏土矿物及其改性产物的吸附、催化性能,并探讨多种废弃黏土矿物的资源回用技术。研究结果对实现黏土矿物在污染控制领域的高效资源利用提供了新信息。     

甲苯在土壤地下水中迁移规律研究

石油泄漏导致甲苯等有机污染物污染土壤地下水,并且甲苯等石油类有机污染物对土壤地下水污染具有隐蔽性强、难以逆转等特点,污染治理难度大。因此,研究甲苯有机污染物在土壤地下水中运移规律是治理的关键。该文以某污染场地为研究区,以甲苯有机污染物为研究对象,考虑了淋滤、吸附的影响,采用模型计算方法,分析了甲苯在污染场地土壤地下水中迁移规律。结果表明：甲苯在土壤地下水中迁移过程中,淋滤作用对甲苯浓度变化影响显著;吸附影响下扩散作用及地下水位变化对甲苯迁移产生的影响均受到抑制。该文获得的甲苯在土壤地下水中迁移规律可为甲苯有机污染物污染场地修复提供依据。     

土壤石油微生物降解影响因子的正交实验分析

利用微生物来降解土壤中的石油类污染物，是当前应用前景最好的土壤石油处理方法。多种因素同时制约着石油类污染物的生物降解。为了定量化各因素对彼此的影响，探求促进正向作用、抑制负向作用的途径，为各因素制定适宜的施用时间顺序以及施用量，以最大限度地加快降解速度，笔者设计了本文中的生物降解实验。结果表明，使用多因素复合处理方法可以在土壤石油处理中收到很好的效果；在实验的不同阶段，各影响因素的重要性及最优水平也会不同程度地变化。     

废弃蒙脱石制备N、S共掺杂类石墨烯碳纳米材料

近年来,以有机-无机模板法制备碳材料的研究备受关注。通常以聚合物为碳源、矿物为模板,在惰性气体保护下碳化,然后去掉模板,释放矿物模板中的碳材料。由于不同矿物模板的结构各异,从而能够制备出具有不同结构特征的碳材料,如一维的碳纳米纤维(Fernandez-Saavedra et al.,2004)、二维的类石墨烯材料(Xu et al.,2013)和三维的多孔碳(Liu et al.,2013)。蒙脱石由于其化学惰性硅氧烷表面和可膨胀层间域结构,常被用作制备类石墨烯碳材料的理想模板。另一方面,蒙脱石作为一种高效廉价、环境友好的吸附剂,能被广泛应用于环境修复领域,特别是用于染料废水的处理。但要实现蒙脱石在染料废水中的推广应用,还需要解决吸附染料后废弃蒙脱石的处理处置问题。前期研究发现,在氮气气氛中碳化吸附结晶紫后的废弃蒙脱石,成功制备了碳单层-蒙脱石纳米复合材料,为废弃蒙脱石的回收利用提供了一种切实可行的方法(Chen et al.,2014;Zhu et al.,2015)。此外,阳离子染料通常含有除C和H以外的其他元素,如N、S等,这些异质原子可能会进入碳材料的晶格,从而影响碳材料的结构和性质。因此,模板制备法也许能作为制备异质原子掺杂型碳材料和回收利用废弃蒙脱石的有效手段。本研究以吸附阳离子染料亚甲基蓝(MB)后的废弃蒙脱石为前驱体,通过无氧碳化、交替酸洗来制备N、S共掺杂类石墨烯碳纳米材料,并采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)等方法对所得材料结构和组成进行分析,并对其电催化性能进行表征,重点研究了碳化温度对所得类石墨烯材料结构和性能的影响。实验结果表明,吸附MB后蒙脱石的层间距增至19.1,碳化后层间域高度随温度升高逐渐减小至4.4,略大于单层石墨烯厚度3.4,这是因为半径较大的S原子不能很好地适应sp2杂化碳网导致其略微突出二维平面造成的。所得碳材料的TEM图谱呈现高度透明的薄膜形貌,AFM图谱呈现出较光滑的表面和锯齿状的边缘,对应的高度图显示该碳片层厚度约为40,说明所得碳材料由十多层石墨烯单层堆叠而成。XPS结果显示,碳材料中同时含有C、N、S三种元素,且N主要以吡啶N、吡咯N和石墨N三种形式掺杂进入石墨烯结构中,S以噻吩S的形式存在。电化学测试结果表明,所制备的N、S共掺杂类石墨烯材料具有较好的氧还原反应催化性能和稳定性,有望用作燃料电池的阴极电催化剂。上述研究结果不仅为废弃蒙脱石的资源化回用提供了新途径,而且为异质原子掺杂类石墨烯碳材料的制备提供了新方法。     

日本北海道音调津的球状石墨

本文利用光学显微镜、X射线衍射仪、透射电镜等手段对日本北海道音调津球状石墨的成因、结构等进行研究,认为日本北海道音调津球状石墨中除了石墨外,还存在镍黄铁矿﹑黄铜矿﹑磁黄铁矿等金属硫化物矿物。通过透射电子显微镜观察发现音调津石墨中大部分是椭圆状石墨颗粒,高分辨晶格条纹主要是非晶态结构,但是同时也发现了结晶良好的石墨。高结晶度石墨的存在可能是在硫化物Fe-Ni-Cu的触媒作用下形成的。天然球状石墨的微结构和性状研究对天然石墨的形成和开发应用有重要意义,对新型碳材料的制备技术有重要科学意义。     

地热井固井材料导热性能影响因素

固井材料导热性能是影响地热井取热效果的因素之一。为提升地热井固井材料导热系数，采用正交试验，借助层次分析-指标重复性相关（AHP-CRITIC）混合加权法和极差分析，进行固井材料导热性能研究。结果表明:添加天然鳞片石墨、铁粉和石英砂均可提高固井材料导热系数，其中石墨对导热系数的提升作用最为显著，铁粉次之，石英砂最小；石墨掺量和水固比分别是影响固井材料综合性能的主次要因素；随着石墨掺量递增，其导热系数递增、48 h抗压强度和流动度均递减；得出高导热固井材料的优选配合比为:水固比值0.44，石墨、铁粉和石英砂掺量分别占水泥质量的7.5%、3%、2%，其导热系数可达1.87 W/（m·K），较常规固井材料提高约70%。研究成果可为地热能高效开发利用提供参考。      

膨胀石墨对机油吸附性能的实验研究

探讨了不同温度下膨胀石墨对纯机油的饱和吸附，采用静态吸附和动态过滤方法研究了膨胀石墨对水面漂浮机油的吸附效果。结果表明，饱和吸附量与其膨胀容积和温度有关，最大可达80．7g／g；在小于饱和吸附量的情况下，静态吸附后水中残留油含量与初始油浓度和膨胀容积有关，一般在50mg／L以下，经一次动态过滤，滤液中残留油含量已低于检测限，多次过滤冲洗亦未使已吸附机油脱附。膨胀石墨对机油具有超大饱和吸附量，静态和动态方法都可有效清除水面漂浮机油。     

陕北浅层低渗油田污水处理剂筛选及应用探讨

注水开发是提高陕北浅层低孔特低渗油藏最终采收率和开发效益的主要方式。随着开发工作的开展,油田污水已成为注水开发的主要水源,污水的处理、污水回注和再利用是油田可持续高效发展的关键问题之一。针对南泥湾低渗油藏脱后污水及池塘污水化验结果,通过对絮凝剂、助凝剂、杀菌剂、缓蚀阻垢剂、除氧剂、浮选剂种类及加药量的优选,进行了回注污水处理研究。结果表明：按照所筛选出的各种水处理剂选型及浓度选择混合后,配伍性良好,处理后的污水水质各项指标均达到延长低渗透油藏注入水推荐标准,可满足南泥湾油田特低渗油藏注水开发要求。研究结果可为陕北浅层低渗油田污水处理及注水方案优化提供理论依据。     

川渝地区煤的石墨化潜势研究

煤及煤系石墨化利用对于增强石墨矿产的战略保障能力、促进煤系矿产资源高效利用和推动煤炭企业转型升级等均具有重要意义。在能源矿产改革转型的关键时期,为了厘清川渝地区煤的石墨化潜势,在梳理分析煤的石墨化、煤基碳材料前驱体选择和川渝地区煤田地质概况的基础上,通过对川渝地区主要赋存煤类、煤质和显微组分特征的分析,从影响煤石墨化的内在因素和煤基碳材料的需求出发,采用主成分分析法探讨了川渝地区煤基碳材料前景和煤系石墨资源赋存潜力。结果表明:研究区煤的显微组分以镜质组为主,低灰、低硫,演化程度更高的无烟煤更易于石墨化,煤石墨化后的产物则是制备碳材料的极佳前驱体;根据主成分分析的定量评价结果,可将川渝地区煤系石墨资源潜力区带划分为Ⅰ级优势区、Ⅱ级良好区和Ⅲ级潜力区。四川雅安?攀西Ⅰ级区带三叠系上统须家河组煤具有变质程度高、低灰、低硫特征,龙门山构造岩浆带是煤石墨化的外在条件,是煤系石墨矿产资源优势赋存区和制备煤基碳材料的优选资源;渝东北Ⅱ级区带和渝东南Ⅱ级区带具有构造条件复杂、煤演化程度高的特点,为煤系石墨资源赋存良好区;南桐松藻Ⅲ级区带和四川芙蓉?古叙Ⅲ级区带则为煤系石墨资源的潜力区。煤系石墨的潜力研究是能源矿产由粗放型利用向高端新型材料精细化应用转变的重要桥梁,为实现煤炭资源高价值、绿色开发利用提供了指导方向。      

超无烟煤中石墨微晶产出状态与成因

超无烟煤（也称变质无烟煤）中广泛发育石墨微晶,为深入分析煤中石墨微晶产出特征及成因,以福建省永安煤田典型样品为例,采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜等测试方法,识别并分析煤中石墨微晶的光学性质、物质组成、晶体结构等特征,并探讨其成因。结果显示:石墨微晶主要产出于煤中微裂缝和空腔内,多数具有类似于石油焦的纤维状显微结构,可见气泡膜状结构;石墨微晶最大反射率为9.29%~10.83%,远远高于煤中原有显微组分;正交偏光加石膏试板观测条件下,石墨微晶呈现一级黄、二级蓝干涉色以及镶嵌状、区域状、纤维状等显微结构,局部定向性明显。扫描电镜加电子探针探测显示,石墨微晶多呈鳞片状并见流动状结构和气孔构造,同时显示出纯碳特点。高分辨率透射电镜观测到石墨微晶晶格条纹呈平直定向排列,选区电子衍射呈现典型的石墨晶格环斑模式。初步分析认为,煤中石墨微晶的碳质来源于高度熔融的（变）壳质组和富氢（变）镜质体,热源为侵入煤田周边及盆地底部的燕山期花岗岩,熔融含碳物质在孔缝空间内汇聚流动并在高温下脱除杂质元素,然后在强大岩浆侵位压力下结晶形成秩理性显著的石墨微晶;同时,也不排除渗出沥青质体再次活化形成研究区煤中石墨微晶的可能性。移动阅读      

烃类的有机(生物)与无机(非生物)来源--油气成因理论思考之二

自然界烃类的大规模形成是有机-无机物质相互作用的结果。在烃类物质两大组成元素中,碳的来源多以有机质为主,特别是液态烃,而氢却有多种来源。有机氢来自有机质,无机氢主要来自同沉积水,还有深部挥发分中的氢,同沉积水中的氢则以多种途径进入烃类。本从油田水的垂向演化及其与非油田水的对比、烃类物质的氢同位素组成及其与源岩沉积环境的关系、成烃加水与否的模拟实验,以及世界大型油气田分布与构造带的关系等方面,论述了烃类形成的有机与无机的相互作用,特别是烃类中氢的无机来源的本质,并对氢的来源及其加氢作用机制进行了分析,对油气形成理论的完善和在油气勘探中的应用有一定参考价值。     

Vein graphite deposits: geological settings,origin, and economic significance

Graphite deposits result from the metamorphism of sedimentary rocks rich in carbonaceous matter or from precipitation from carbon-bearing fluids (or melts). The latter process forms vein deposits which are structurally controlled and usually occur in granulites or igneous rocks. The origin of carbon, the mechanisms of transport, and the factors controlling graphite deposition are discussed in relation to their geological settings. Carbon in granulite-hosted graphite veins derives from sublithospheric sources or from decarbonation reactions of carbonate-bearing lithologies, and it is transported mainly in CO₂-rich fluids from which it can precipitate. Graphite precipitation can occur by cooling, water removal by retrograde hydration reactions, or reduction when the CO₂-rich fluid passes through relatively low-fO₂ rocks. In igneous settings, carbon is derived from assimilation of crustal materials rich in organic matter, which causes immiscibility and the formation of carbon-rich fluids or melts. Carbon in these igneous-hosted deposits is transported as CO₂ and/or CH₄ and eventually precipitates as graphite by cooling and/or by hydration reactions affecting the host rock. Independently of the geological setting, vein graphite is characterized by its high purity and crystallinity, which are required for applications in advanced technologies. In addition, recent discovery of highly crystalline graphite precipitation from carbon-bearing fluids at moderate temperatures in vein deposits might provide an alternative method for the manufacture of synthetic graphite suitable for these new applications.     

酒西盆地石油非均质性的控制因素

运用先进的分析测试手段对来自酒西盆地六个油田的 2 0多个油样进行了全油碳同位素、饱和烃气相色谱与质量色谱及正构烷烃分子碳同位素等较为全面的分析与研究。确定源岩相、水洗、生物降解作用与成熟度不是酒西盆地石油非均质性的控制因素。最后选取 1 5个油样进行中性吡咯氮化合物分析,用中性吡咯氮中的咔唑类化合物作为运移参数,较为详细地研究原油的运移分馏作用。此类化合物作为运移参数的基本原理是石油运移过程中,不同结构的咔唑类化合物与水及岩石中矿物发生吸咐作用的强烈程度不同,导致不同的运移分馏作用。根据咔唑类化合物的变化得出控制酒西盆地石油组成非均质性的主要因素是油气运移分馏作用,证实酒西盆地石油运移方向主要是从西至东,青西凹陷是其油源区。