柳林3#煤中类洋葱结构的分子模型构建及吸附性能研究

作     者：李晋鲁 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：相建华

授予年度：2022年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：煤层气 类洋葱结构 结构模型 分子模拟 吸附位点 

摘      要：煤层气作为煤演化过程中与之相伴而生的气体资源,其合理利用不仅能为我国商业化产业带来巨大的经济效益,同时也为我国的能源结构提供保障。煤是由大量具有不同分子量的分子组成的混合物,各组分间通过分子间相互作用形成聚集态结构。充分了解煤的分子与聚集态结构特征,并探究其对甲烷(CH)、二氧化碳(CO)分子的吸附影响。本文从分子层次与聚集态层次两个角度构建煤结构模型,结合分子模拟,探究煤结构与CH、CO气体分子之间的相互作用机制。采用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对柳林3号煤观察意外发现了煤中存在类洋葱结构,芳香层片呈圈层状分布,圈层中心的芳香层片则呈放射状,对比煤中天然富勒烯和人工制备的富勒烯图像确认煤样中存在类洋葱结构。类洋葱结构在煤中形成的独特聚集态结构,直接影响着煤中孔隙分布、分子间作用力构成以及煤与小分子气体之间的相互作用,要想对其进行深入认识,必须从分子角度出发,以现代分析测试结果为依据,建立其分子结构模型。为了更准确研究煤层CH的吸附与煤的孔隙结构特征,了解煤储层甲烷吸附的影响因素和机理,本文利用工业分析、元素分析、HRTEM、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及X射线光电子能谱(XPS)测试技术对柳林沙曲煤矿3号煤层烟煤(Liulin No.3 bituminous coal,LL3)进行表征,结合分子模拟软件构建了柳林3烟煤类洋葱结构大分子模型。运用BIOVIA-Materials-Studio软件,对所建的结构模型进行分子力学、分子动力学模拟,得到能量最低构型;对结构模型进行CO、CH单组分及二元气体组分等温吸附模拟,分析CH、CO的饱和吸附构型和能量组成。通过对所得的分子结构模型进行优化,探讨煤中表面官能团、分子缺陷、孔隙结构对CH、CO分子的耦合作用。以下为所获结论:(1)柳林3烟煤镜质组反射率为1.38%,含碳量为88.72%,干燥无灰基的挥发分为24.35%,属于中挥发分烟煤。由FTIR知,含氧官能团以醚氧、羟基和羰基为主,脂肪结构中CH的含量多于CH;XPS分峰得到氮元素以吡咯和吡啶形式存在,硫元素中噻吩含量最高。在HRTEM图像提取的晶格条纹中发现到部分芳香层片呈圈层状分布,组成类似洋葱的结构,可以清晰地观察到有二十多层的类洋葱结构,直径为20～30 nm,中心为随机分布的无定型内核,外层为有序分布、围绕圆心的壳层,外壳中晶格条纹明显较长,片层之间呈现层状等距分布。对煤样晶格条纹进行归属,晶格条纹最长长度为4.08 nm,平均长度为0.73 nm,萘含量与2×2、3×3芳香层片含量较为丰富;在0～45°、135～180°表现出明显优势取向。煤中类洋葱结构的形成可能与煤化作用过程中煤结构的演化密切相关,可作为芳香族层缩聚的直接证据。以工业分析、元素分析数据为基本约束,参照纳米洋葱状富勒烯结构模型,利用HRTEM图像提供的煤中晶格条纹的长度、取向分布等信息,结合FTIR、XPS数据得到脂肪碳、含O/N/S官能团信息,构建了柳林3烟煤的类洋葱结构大分子模型,该模型分子式是CHONS,相对分子质量是23187 Da,模型各元素含量与元素分析所测的含量基本一致。(2)对构建完成的类洋葱结构模型进行分子力学与分子动力学模拟,得到了模型的最优几何构型。在最优几何构型的能量组成中,范德华能在非成键能中所占比例最高,在维持模型结构稳定性上发挥重要作用。在价电子能中键伸缩能所占比例最高,优化过程中芳香层片及与之相连的脂肪侧链扭转伸缩变形使得煤大分子三维立体结构更加立体紧凑。(3)模拟类洋葱结构模型对CH、CO的单组分及二元组分等温吸附,结果显示:压力在0.01～10 MPa、273.0 K/298.0 K/323.0 K下CH、CO单组分的三条模拟等温吸附曲线符合I型Langmuir吸附模型,CH、CO等温吸附线在三种不同温度下两种气体的吸附量大小顺序一致,即273.0 K298.0 K323.0 K,温度升高不利于气体吸附。在相同压力下,模型的二元等温吸附CO分子的吸附量远大于CH分子的吸附量,CO吸附竞争优势非常明显。对类洋葱结构模型的孔隙结构进行模拟,采用GCMC模拟方法模拟7MPa、298.0 K条件下CH、CO的饱和吸附构型,观察CH、CO分子在不同官能团周期性排列中的吸附位点,得出CH和CO分子吸附位点有较高的一致性。CH、CO饱和吸附构型中最小吸附孔是由类洋葱层片与脂肪碳所围成的孔径约0.4 nm的孔;CH分子最大吸附孔是由类洋葱芳香层片所围成、孔径约为3.0 nm的孔,CO最大吸附孔则是由周围芳香层片所围成、孔径约为6.8 nm的孔,吸附质分子吸附位点较为集中。对比CH饱和吸附构型与CH/CO二元气体组分吸附构型,CO在竞争吸附过程中占据了大量CH气体分子原有吸附点位,驱替置换了CH气体