水蒸气在褐煤孔隙中的吸附行为:试验研究与分子动力学模拟
王成勇1
邢耀文2
王市委3
陈鹏3
李吉辉4
桂夏辉2
1.六盘水师范学院矿业与机械工程学院,贵州六盘水 553004;中国矿业大学国家煤加工与洁净化工程技术研究中心,江苏徐州 2211162.中国矿业大学国家煤加工与洁净化工程技术研究中心,江苏徐州 2211163.六盘水师范学院矿业与机械工程学院,贵州六盘水 5530044.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083
摘要：深入理解水在褐煤上的吸附是褐煤干燥提质技术的理论基础之一.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和低温氮吸附/脱附试验分析了褐煤的含氧官能团和孔隙结构,利用水蒸气吸附/脱附试验和分子动力学(MD)模拟探究了水蒸气在褐煤孔隙中的吸附行为.研究结果表明:褐煤样品丰富的含氧官能团和较多的微孔、中孔(孔径约2 nm),为水蒸气提供了吸附位点和吸附场所.水蒸气在煤样上的吸附过程可分为3个阶段.第1阶段,相对蒸气压(P/P0)＜0.21,水分子直接吸附于含氧官能团上,此时的吸附速度最大;第2阶段(P/P0=0.21～＜0.71),水分子与已吸附的水分子相互作用,促使水团簇逐渐生长;第3阶段(P/P0≥0.71),水团簇填充孔隙,并发生毛细凝聚,此时的吸附速度略大于第2阶段.根据Dent模型对水蒸气吸附等温线的拟合结果,吸附类型属于多级吸附,包括初级吸附(第1阶段)和次级吸附(第2、3阶段).初级吸附能(-48.77 kJ/mol)显著大于水的液化热(EL=-43.99 kJ/mol),而次级吸附能(-42.28 kJ/mol)略小于EL,表明吸附于褐煤的水呈液态.水蒸气脱附过程存在明显的脱附迟滞现象,表明水蒸气吸附稳定,较难去除,其中高压迟滞发生在P/Po ≈0.4～0.9,主要由毛细凝聚和"墨水瓶"效应引起;而低压迟滞发生在P/P0＜0.4,由水分子与含氧官能团间强相互作用引起.MD模拟结果与水蒸气吸附/脱附等温线分析结果一致,水分子优先吸附在孔隙中,与孔隙壁的含氧官能团形成氢键,且其扩散系数(2.98×10-5 cm2/s)与液态水的分子扩散系数相近.
关键词：褐煤孔隙结构含氧官能团水蒸气吸附Dent模型分子动力学模拟
分类号：TQ531(煤化学及煤的加工利用)
资助基金：六盘水师范学院学科(培育)团队资助项目(LPSSY2023XKTD02)
论文发表日期：2024-05-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：10( 162-171 )
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