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2021年第06期
2021-06-25
43

煤表面官能团对CH4及CO2吸附性能的影响规律研究

  • 作者:

    相建华
    雷蕾
  • 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
  • 作者单位:

    太原理工大学 矿业工程学院
    太原理工大学 煤与煤系气地质山西省重点实验室

摘要

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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。


  • 碳-Layer结构吸附CH4和CO2的最优几何构型
  • 不同官能团位点上吸附CO2的最优几何构型
  • 不同官能团位点上吸附CH4的最优几何构型
  • CH4/CO2的吸附方向
  • 层片结构模型
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.

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