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。

相建华，雷蕾.煤表面官能团对CH4及CO2吸附性能的影响规律研究［J］.煤炭科学技术,2021,49（6）：145-151. XIANG Jianhua,LEI Lei.Study on influence of coal surface functional groups on methane and carbon dioxide adsorption properties［J］.Coal Science and Technology，2021，49（6）：145-151.