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煤分子吸附CH4、CO2、H2O和O2的机理研究

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煤分子吸附CH4、CO2、H2O和O2的机理研究

作者：丁艺华北电力大学

学位级别：硕士

本文以煤层中瓦斯突出现象、废弃煤矿层贮存二氧化碳、低阶燃煤干燥和自燃等工程实际现象及应用为背景,研究了CH、CO、HO和O分子在煤分子表面的吸附机理。基于量子化学方法,通过对多种优化后的吸附构型进行能量计算、表面静电势分布分... 详细信息

本文以煤层中瓦斯突出现象、废弃煤矿层贮存二氧化碳、低阶燃煤干燥和自燃等工程实际现象及应用为背景,研究了CH、CO、HO和O分子在煤分子表面的吸附机理。基于量子化学方法,通过对多种优化后的吸附构型进行能量计算、表面静电势分布分析、约化密度梯度函数法分析、分子中的原子理论分析和相互作用能分解分析,得到CH等气体分子在煤分子表面的吸附位点、吸附能、相互作用类型及强度等结果。构建基本的煤分子模型,其主体结构为多个连续且相邻的苯环,通过对CH、CO、HO和O分子在煤分子表面的吸附构型进行优化计算,可以得到结论:CH、CO、HO和O分子均可以稳定地吸附在煤分子表面,其吸附稳定性满足规律:O>HO>CO>CH。煤分子模型的尺度越大,CH等分子在其表面的吸附稳定性越高。CH、CO、HO和O分子与煤分子模型表面的相互作用属于范德华弱相互作用。O与煤分子模型中碳原子之间的相互作用强度最强,HO与碳原子的相互作用强度次之,CH和CO与煤分子中碳原子的相互作用强度相近且最弱。CH等分子在煤分子模型表面的吸附过程中静电和色散作用表现为吸引作用,且对吸引作用的贡献较大;而互斥和交换作用表现为排斥作用,且互斥力对排斥作用的贡献最大。煤分子模型表面吸附态的HO分子及其多聚体可以提高CO的吸附能,促进CO的吸附。基于基本的煤分子模型,通过在其表面添加空缺位及掺杂不同的基团来构建煤分子的表面特征,对CH等分子在其表面的吸附构型进行优化计算,可以得到结论:煤分子表面的空缺位及掺杂的原子和基团均会降低CH的吸附能力,而煤分子表面的空缺位会降低CO的吸附能力,表面掺杂的原子和基团会不同程度地提升CO的吸附能力。煤分子表面的空缺位及掺杂的原子和基团均会提高HO的吸附能力。煤分子表面的空缺位及掺杂的羰基官能团会与O形成化学键,表面掺杂的氢原子和羟基等含氧官能团会提高O的吸附稳定性。此外,煤分子表面的空缺位及掺杂的原子和基团会提高煤分子对CO在CH/CO混合气体中的选择吸附性。CH、CO、HO和O分子在双层煤分子模型中的吸附稳定性随着层间距的增大而变小。构建三维立体煤分子模型,在其结构中添加烃链、多种碳环及官能团,通过优化比较CH等分子在煤分子模型吸附位点的吸附构型,可以得到结论:CH等分子在三维立体煤分子模型表面会同时受到多个基团或原子的共同吸引作用而达到稳定的平衡吸附状态,煤分子模型的结构特征影响CH等分子的吸附位置和吸附稳定性。

关键词：量子化学煤分子吸附机理 CH4 CO2 H2O O2

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绝氧加热过程中煤分子结构变化特性

中国计量学院学报 2008年第2期19卷 158-161页

作者：姚帅曲方樊海兵楼鋆中国计量学院计量测试工程学院浙江杭州310018

通过傅立叶红外光谱法,测得不同加热终温下,煤及其热解产物的红外吸收光谱,分析了煤分子结构中主要官能团的变化,讨论了绝氧加热过程中,煤分子结构随加热温度的变化状况.结果表明:在煤绝氧加热过程中,芳香烃随着加热温度的升高,总体呈... 详细信息

通过傅立叶红外光谱法,测得不同加热终温下,煤及其热解产物的红外吸收光谱,分析了煤分子结构中主要官能团的变化,讨论了绝氧加热过程中,煤分子结构随加热温度的变化状况.结果表明:在煤绝氧加热过程中,芳香烃随着加热温度的升高,总体呈现增加的趋势;脂肪烃随加热温度升高,总体变化趋势先增加再减少.总之,含氧官能团随加热温度的升高而增加,但中间也出现减少的趋势.

关键词：煤分子官能团绝氧加热

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煤中侧链官能团与水分子间的量子化学模拟

矿业安全与环保 2024年第3期51卷 78-84,91页

作者：乔云霞陈曦葛少成邓存宝范超男太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024

煤中侧链官能团是影响煤分子亲疏水性的重要因素。为了揭示煤分子中侧链官能团与水分子的作用机理,基于密度泛函理论计算了24种煤分子侧链官能团和水分子之间的非共价键力。结果表明:侧链官能团与水分子主要通过氢键力作用,伴随范德华力... 详细信息

煤中侧链官能团是影响煤分子亲疏水性的重要因素。为了揭示煤分子中侧链官能团与水分子的作用机理,基于密度泛函理论计算了24种煤分子侧链官能团和水分子之间的非共价键力。结果表明:侧链官能团与水分子主要通过氢键力作用,伴随范德华力,几乎没有排斥力;含氧官能团与水分子形成的总氢键能最弱为-10.91 kJ/mol,最强为-71.03 kJ/mol,其中小部分含氧官能团可以与2个及2个以上水分子结合;含氮官能团与水分子形成的总氢键能为-30.70~-6.44 k J/mol;含硫官能团与水分子形成的总氢键能稳定在-12.00 kJ/mol左右。侧链官能团亲水能力由强到弱依次为:羧基、羟基、碳基键、醛基、醚键及氨基、极性键。研究成果为表面活性剂或抑尘剂通过定向增强官能团亲水性,提高煤体亲水性,从而增强降尘效果提供了一种新思路。

关键词：煤分子侧链官能团量子化学模拟亲水性氢键力前线轨道间隙键能

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煤与不同气体吸附过程分子模拟研究

煤与不同气体吸附过程分子模拟研究

作者：王亚晴华北科技学院

学位级别：硕士

本论文概括了国内外分子模拟研究现状、不同变质程度煤的分子结构研究现状、基于分子模拟的煤与气体分子吸附研究现状。采用计算模拟和理论研究的方法,利用Gaussian、Materials Studio两种不同软件分别分析了褐煤、次烟煤、烟煤、无烟... 详细信息

本论文概括了国内外分子模拟研究现状、不同变质程度煤的分子结构研究现状、基于分子模拟的煤与气体分子吸附研究现状。采用计算模拟和理论研究的方法,利用Gaussian、Materials Studio两种不同软件分别分析了褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤表面分子吸附甲烷、二氧化碳和氮气分子时的构型、能量等参数,主要从煤吸附单个甲烷、吸附多个甲烷、吸附多组分混合气体这三个方面,从吸附能、吸附位置等角度进行了计算与分析,分别得到不同变质程度煤分子吸附甲烷、二氧化碳、氮气的吸附构型以及吸附难易程度的排序,同时对两种软件分别产生的数据进行了分析,即得到它们的相似点与不同点。主要得出以下结论:(1)不同煤分子分别吸附单个甲烷分子时,计算了煤表面分子吸附甲烷的过程中吸附能由大到小排序为次烟煤、褐煤、烟煤、无烟煤,吸附原子距离与吸附能的大小排序呈相反关系;且最优吸附位置均为靠近侧链上羟基上的氧原子的位置。(2)无烟煤与吸附多个甲烷时,研究了吸附能等相关参数与吸附数量的关系。(3)无烟煤同时吸附甲烷、二氧化碳和氮气分子时,计算得出的吸附能小于无烟煤分别吸附甲烷、二氧化碳、氮气时的吸附能相加得到的总数值。(4)研究了煤分子吸附有限个气体分子时,甲烷、二氧化碳、氮气与同煤分子相互作用时,其吸附能力为二氧化碳>氮气>甲烷。该论文有图68幅,表42个,参考文献71篇。

关键词：煤分子气体分子吸附研究分子模拟

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基于萃取技术的煤自燃抑制机理研究及展望

煤炭科学技术 2021年第3期49卷 92-99页

作者：郭军金彦郑学召蔡国斌宋玉姗西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054

作为一种有效的煤分子微观结构研究手段,萃取技术能够破坏、分离煤分子结构当中特定的基团结构单元。利用萃取试剂提取官能团、自由基、小分子化合物等微观煤自燃进程主体反应活性结构,并依据红外光谱、核磁共振等测定结果,可进行煤分... 详细信息

作为一种有效的煤分子微观结构研究手段,萃取技术能够破坏、分离煤分子结构当中特定的基团结构单元。利用萃取试剂提取官能团、自由基、小分子化合物等微观煤自燃进程主体反应活性结构,并依据红外光谱、核磁共振等测定结果,可进行煤分子表征构成、微观煤自燃反应序列推定等研究。通过文献调研梳理了国内外学者在煤自燃领域应用萃取技术的研究进展,分析了不同微观活性结构在煤自燃反应进程中的主导阶段,归纳了萃取试剂进行煤分子微观结构靶向提取的工作原理,阐述了各类萃取辅助技术对于煤体结构的修饰效应。各类研究成果将为不同变质程度煤体自燃各阶段内的基团反应序列推定提供理论基础,为煤自燃阻化材料的配置提供材料优选基础,为萃取辅助技术的发展和创新提供研究思路。展望了煤分子活性结构靶向萃取技术在微观煤自燃机理深入研究和煤自燃事故防控技术发展两方面的应用前景。并基于萃取技术发展革新的实际需求,提出了发展兼具高效性和靶向性的新式萃取技术,萃取辅助技术联用以提升煤分子修饰效益的工作机制,分析了煤体萃取反应工作环境参数的影响作用等不同方面的研究思路。旨在充分开发基于萃取技术的微观煤自燃倾向惰化机制研究及煤自燃防控应用技术的革新突破。以期从根本上实现煤自燃的高效防控,保障煤炭资源绿色、安全开采,推动煤炭工业可持续发展。

关键词：煤自燃萃取剂辅助萃取官能团煤分子

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煤自燃预测技术研究现状

煤矿安全 2013年第9期44卷 194-197页

作者：陈欢杨永亮中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

通过研究煤的自燃机理,得出了煤自燃的致灾机理及煤氧化自燃过程的表现特性,为煤自燃预测技术提供了理论依据。基于煤自燃特性,以温度、生成物等宏观量为检测指标,通过采用气体成分分析、测温、仿生气味监测、磁力预测等技术手段对煤自... 详细信息

通过研究煤的自燃机理,得出了煤自燃的致灾机理及煤氧化自燃过程的表现特性,为煤自燃预测技术提供了理论依据。基于煤自燃特性,以温度、生成物等宏观量为检测指标,通过采用气体成分分析、测温、仿生气味监测、磁力预测等技术手段对煤自燃进行预测。为了提高对煤自燃预测的准确性并发展煤自燃机理,对煤氧化自燃过程中煤分子变化进行研究,以煤分子的微观变化为特性进行煤自燃预测具有一定的实际意义。

关键词：矿井火灾煤自燃机理预测煤分子