煤炭在我国一次能源消费中占据主体地位，对国民经济和社会发展起着重要的作用，开发煤炭的清洁高效利用及资源化技术具有重要意义。通过在热解过程中添加活化剂对煤焦结构进行活化造孔，可以得到具有发达孔隙结构的煤基多孔炭，同时获得热解煤气，从而实现煤炭的资源化增值利用。KOH活化法是目前应用最广泛的高比表面积多孔炭的制备方法，然而反应中的碱用量较大，会造成设备腐蚀，且增加生产成本。此外，如何针对VOCs、NO等不同污染物分子的吸附强化进行多孔炭结构调控，仍有待于进一步研究。因此，本文针对煤基多孔炭的低KOH含量活化制备及污染物的吸附脱除强化这两个关键问题开展研究，提出了去硅-掺钙-低碱量活化的多步组合制备煤基多孔炭的新方法，揭示了热解过程的KOH活化反应机理，并阐明了VOCs和NO在多孔炭表面的吸附强化机制，为多孔炭结构的定向调控及污染物高效吸附脱除提供了理论基础。
　　首先，选择8种不同原料煤，系统研究了煤质组分对多孔炭结构的作用机制，同时考察了热解参数对孔隙形成的影响规律。发现KOH活化有利于孔隙尤其是微孔结构的形成，以芦草泉煤为原料在低KOH含量(KOH/coal=2)活化条件下得到最优热解参数为：氮气流量100ml/min、热解终温800℃、升温速率10℃/min、停留时间60min。基于此，通过煤灰组分调控发现Ca元素掺杂量为2.5%时，多孔炭的比表面积和微孔比表面积最高可以达2631m2/g和1959m2/g。进一步分析活化反应机理，在100~500℃发生KOH分解以及K、Ca与表面官能团和碳侧链的反应；在500~800℃发生K2CO3分解以及K2CO3和K2O对碳骨架的刻蚀，同时产生K蒸汽并在碳晶层间穿插形成孔隙。KAS模型计算Ca掺杂煤的KOH热解活化能在69.4~253.4kJ/mol之间，低于原料煤和去灰煤；Coats&Redfern方法计算发现Ca掺杂降低了反应总级数从一级转向二级的临界温度。
　　其次，设计制备孔隙结构梯度变化的水热炭基多孔炭作为模型材料，根据VOCs分子直径倍数对多孔炭的孔径进行划分，发现VOCs分子主要吸附在孔径为其动力学直径1~3倍范围的孔隙中。在此基础上，选择Ca掺杂制备煤基多孔炭进行甲苯吸附研究，验证了上述最优吸附孔径范围的普适性，PC-Ca0.2具有最高的甲苯吸附容量，可以达到746.2mg/g。吸附平衡及动力学分析表明，Redlich-Peterson、Bangham和准二阶模型对吸附数据的拟合度较高，甲苯的吸附及脱附活化能分别为21.32kJ/mol和33.25kJ/mol，说明煤基多孔炭的表面均匀分布着甲苯吸附位点，且吸附过程以物理吸附为主。
　　再次，以前文的水热炭基多孔炭作为模型材料，根据NO分子直径(0.31 nm)倍数对多孔炭的孔径进行划分，发现0.62~1.24nm范围的孔容积与NO转化率具有最高的线性相关系数。在此基础上，选择Ca掺杂制备煤基多孔炭进行NO吸附氧化研究，验证了上述最优吸附孔径范围的普适性，PC-Ca0.1具有最高的NO/NO2转化率。反应机理及动力学分析表明，NO首先吸附在碳表面，随后被气相O2氧化并经过歧化反应和脱附转化为NO2气体；NO和O2的表观反应级数分别为1和0.51，反应的速控步骤为NO吸附，因此通过多孔炭结构调控强化NO在碳表面的吸附是促进NO吸附氧化脱除的关键。
　　最后，对烟气污染物吸附脱除进行工程应用研究，采用干式过滤-污染物吸附/脱附-催化燃烧系统处理风量为40000m3/h的喷漆有机废气，并对4种商用煤基多孔炭进行筛选，发现AC-1在二甲苯分子动力学直径1~3倍范围内具有最大的孔容积，可以作为吸附床层的填装材料；测试结果表明，处理前废气中颗粒物、非甲烷总烃、二甲苯的平均排放浓度分别为18.2mg/m3、151mg/m3、179mg/m3；处理后的平均排放浓度分别下降至4.6mg/m3、10.3mg/m3、1.16mg/m3，符合国家排放标准。