太原西山西銘8號煤大分子結(jié)構(gòu)構(gòu)建及甲烷吸附機理研究.pdf

1、隨著人類文明的發(fā)展煤炭、石油資源的枯竭，能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)從煤石油向天然氣轉(zhuǎn)變。我國煤炭資源豐富，探明的煤層氣逐年增長。煤層氣將成為未來的主要能源。煤層氣的生成、儲集以及成藏條件與其它天然氣有明顯的差異。煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤層中，所以研究煤與甲烷分子的相互關(guān)系，是合理開采煤層氣的基礎(chǔ)。煤大分子結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性和不均一性，煤大分子結(jié)構(gòu)的構(gòu)建對是研究煤與甲烷分子相互作用的基礎(chǔ)。本文利用13C-NMR、FTIR、XPS等物理化學(xué)方法，結(jié)合工業(yè)分

2、析、元素分析，以西山礦區(qū)西銘8號煤(XM-8)為例，構(gòu)建能夠反映真實存在形式的煤大分子結(jié)構(gòu)。XM-8模型中，芳香結(jié)構(gòu)單元以菲、葸結(jié)構(gòu)為主，最大環(huán)數(shù)可達(dá)到五個;脂肪結(jié)構(gòu)主要以脂肪側(cè)鏈的形式存在;氧原子分別以醚鍵、羥基、和羰基形式存在;氮原子以吡咯和吡啶的形式存在;硫原子以噻吩形式存在。采用Materials Studio6.0(MS)中Forcite模塊對XM-8結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行能量最小化模擬。結(jié)果表明，分子內(nèi)及分子間芳香層片之間的π-π相互

3、作用，使其以近似平行的方式排列。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)第一性原理的密度泛函理論，計算并研究了甲烷與XM-8大分子結(jié)構(gòu)的相互作用及最優(yōu)吸附位置，并與石墨模型進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:甲烷分子在煤大分子芳香環(huán)結(jié)構(gòu)中2-Bond-UP位置為最優(yōu)吸附位置，吸附能為-38.37 kJ/mol甲烷分子在煤大分子雜原子環(huán)結(jié)構(gòu)中C-C鍵或X-C鍵中間為最優(yōu)吸附，并且優(yōu)先吸附在芳香環(huán)結(jié)構(gòu)上。徑向分布函數(shù)表明，煤大分子結(jié)構(gòu)對甲烷的吸附作用是由吸附位置與吸附方向共同決