煤表面官能团对CH4及CO2吸附性能的影响规律研究
相建华
雷蕾
太原理工大学 矿业工程学院,山西 太原 030024;太原理工大学 煤与煤系气地质山西省重点实验室,山西 太原 030024
摘要：煤表面官能团对CH4以及CO2吸附性能的影响已得到印证,但不同官能团类型对2种气体吸附行为的具体促进与阻碍作用以及影响因素尚未有定论.利用密度泛函理论,通过计算不同官能团化结构对CH4以及CO2的吸附能数据,揭示了表面官能团对CH4以及CO2吸附性能的作用规律.结果表明:无论是在经官能团修饰的结构中还是无官能团化碳-Layer结构中,CO2的吸附能均大于CH4,表明CO2与煤大分子结构间的作用均大于CH4.CH4在CH4/CO2竞争吸附的吸附能模拟中,吸附平衡距离大于单一CH4分子吸附模拟平衡距离;CO2在CH4/CO2竞争吸附的吸附能模拟中,吸附平衡距离小于单一CO2分子吸附平衡距离,CO2表现出竞争吸附优势.CH4在不同含氧官能团化结构中吸附能大小的顺序为羰基-Layer结构(-23.64 kJ/mol)>羟基-Layer结构(-19.44 kJ/mol)>羧基-Layer结构(-18.28 kJ/mol),上述吸附能均都小于CH4在无官能团化C-Layer结构中的吸附能(-25.37 kJ/mol);含氧官能团的存在削弱了煤体的CH4吸附性能,且影响强弱与官能团的碱性与疏水性有关.CO2在不同含氧官能团化结构中吸附能大小的顺序为羧基-Layer结构(-36.33 kJ/mol)>羟基-Layer结构(-34.06 kJ/mol)>羰基-Layer结构(-33.43 kJ/mol),上述吸附能均大于CO2在无官能团化碳-Layer结构中的吸附能(-32.54 kJ/mol));含氧官能团的存在提高了煤体的CO2吸附性能,且影响强弱与官能团的极性有关.吡啶氮官能团化结构中CH4的吸附能为-31.00 kJ/mol,大于无官能团化碳-Layer结构中CH4的吸附能;吡咯氮官能团化结构中CH4的吸附能为-6.40 kJ/mol,,小于无官能团化碳-Layer结构中CH4的吸附能.CO2在吡啶氮官能团化结构与吡咯氮官能团化结构中的吸附能分别为-50.56 kJ/mol与-14.71 kJ/mol.含氮官能团对煤体结构吸附CH4和CO2的阻碍与促进作用具有相同的规律,即吡啶促进吸附而吡咯阻碍吸附.
关键词：吸附机理煤表面官能团密度泛函理论吸附能甲烷二氧化碳
分类号：TD712(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(41572144)国家自然科学基金(U1910204)国家自然科学基金(41973077)应用基础研究项目(201601D021137)
论文发表日期：2021-06-25
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：7( 145-151 )
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