神東煤惰質組結構特征及其與CH4、CO2和H2O相互作用的分子模擬.pdf

1、煤層氣的能源效應使其吸附的研究成為熱點之一，但是絕大多數(shù)研究都是采用傳統(tǒng)的實驗方法，很難從微觀上認識煤對氣體及水分的吸附機理。本文結合實驗和計算機理論模擬兩種方法，構建了神東煤惰質組(SI)大分子結構模型，系統(tǒng)研究了SI對CH4、CO2和H2O的吸附，以從分子水平上認識煤對氣體及水分吸附的機理。
　　 本文的研究方法及其主要結論如下：
　　 1.基于核磁共振(13C NMR)分析所得煤結構參數(shù)構建了SI平面模型，通過化學

2、位移計算軟件進行修改，得到了實驗譜圖與計算譜圖相一致的平面構型，并應用分子力學和分子動力學方法進行空間構型優(yōu)化后，得出SI的密度是1.14 g/cm3，與實驗數(shù)據(jù)也基本一致，證明了SI空間構型是合理的。
　　 2.應用蒙特卡洛(GCMC)方法模擬了SI對CH4、CO2和H2O單組分的飽和吸附，得出如下結論：
　　 1)在相同條件下，SI對單組分CH4、CO2和H2O的飽和吸附量大小是H2O＞CO2＞CH4。
　　

3、 2)通過觀察SI對單組分CH4、CO2和H2O的飽和吸附構型發(fā)現(xiàn)，吸附質分子都是優(yōu)先吸附于SI大分子邊緣，而后才吸附于孔隙內。吸附質分子局部集中吸附，如甲烷兩兩集中吸附，其空間排列與乙烷的空間構型類似；二氧化碳分子出現(xiàn)兩兩交叉的排列形式。
　　 3.應用分子動力學方法，在溫度為298.15K，壓力為0.001 Gpa的條件下，模擬了SI對單組分CH4、CO2和H2O的吸附，得到以下主要結論：
　　 1)在同溫同壓下，S

4、I對單組分CH4、CO2和H2O的吸附量大小是：CH4＜CO2＜H2O。這與應用蒙特卡洛(GCMC)方法得到的結論是相一致的。
　　 2)觀察各單組分的飽和吸附構型可以發(fā)現(xiàn)，CH4在吸附劑中的吸附排列是呈現(xiàn)兩兩交叉，類似于乙烷的分子構型。CO2分子在SI中的吸附排列呈平行或交叉，甚至垂直的特點。H2O分子更多的呈現(xiàn)平行排列。相比較而言，CH4和H2O分子在SI中的吸附排列比較單一，CH4呈交叉排列，H2O分子呈平行排列，而CO2

5、分子的排列比較雜亂，既有平行的、交叉的，又有垂直排列的。這與應用蒙特卡洛(GCMC)方法得到的結論是相一致的。
　　 4.用巨正則蒙特卡洛(GCMC)方法模擬了SI對CH4、CO2和H2O單組分的等溫吸附，得出如下結論：
　　 1)相同溫度壓力下，SI對單組分CH4、CO2和H2O的模擬等溫吸附量大小是：H2O>CO2>CH4。
　　 2)在相同壓力條件下，溫度與吸附量成負相關關系，高溫不利于煤對單組分CO2、C

6、H4和H2O的吸附。
　　 3) 壓力對單組分CO2、CH4和H2O吸附的影響有一個臨界值，這一臨界值大約為8 Mpa。當壓力小于8 Mpa時，隨著壓力的增大，各單組分的吸附量跟著增加，當壓力大于8 Mpa時，隨著壓力的增大，各單組分的吸附量不再增加，而有減小的趨勢。而且，在相同溫度壓力條件下，壓力的變化對H2O吸附量的影響比CO2和CH4大。
　　 4)通過對等量吸附熱的分析，得出SI對單組分CO2、CH4和H2O的吸

7、附屬于物理吸附。
　　 5.應用蒙特卡洛(GCMC)方法模擬了SI對二元混和體系CH4/CO2、CH4/H2O和CO2/H2O等溫吸附，得出如下結論：
　　 1)通過吸附選擇性系數(shù)的判斷，得出吸附質中競爭吸附的優(yōu)勢大小是H2O＞CO2＞CH4。
　　 2)在相同溫度壓力條件下，吸附量的大小順序是CH4＜CO2＜H2O，說明SI對二元組分CH4/CO2、CH4/H2O和CO2/H2O的競爭吸附中，吸附競爭優(yōu)勢大小是

8、H2O＞CO2＞CH4。
　　 3) 壓力的變化對競爭吸附中處于弱勢的吸附質的吸附量影響不大，而對競爭中處于優(yōu)勢的吸附質的吸附量影響很大，呈正相關關系。
　　 6.應用蒙特卡洛(GCMC)方法模擬了SI對三元體系CH4/CO2/H2O的等溫吸附，得出如下結論：
　　 1)在相同壓力條件下，吸附量大小順序是CH4＜CO2＜H2O，說明SI對三元組分CH4/CO2/H2O的競爭吸附中，吸附的優(yōu)先順序是H2O、CO2和

9、CH4。這與二元組分等溫吸附所得到的結論是相一致的。
　　 2) 壓力的變化對競爭吸附中處于弱勢的吸附質的吸附量影響不大，即對CO2和CH4吸附量的影響不大，而對競爭中處于優(yōu)勢的吸附質的吸附量影響很大，呈正相關關系，這一結論與二元組分等溫吸附所到的結論相一致。通過對三元組分CH4/CO2/H2O競爭吸附的研究，發(fā)現(xiàn)壓力對競爭吸附中處于優(yōu)勢吸附質的吸附量影響有一個臨界值，大約為6 Mpa，當壓力小于6 Mpa時，隨著壓力的增大，吸