煤体甲烷吸附解吸机理研究

【摘要】：甲烷吸附与解吸是研究瓦斯扩散、渗流、累积和防治煤与瓦斯突出的重要理论基础，是煤矿安全生产的重要研究课题之一。本文通过温度场下甲烷气体两次解吸实验、煤体红外光谱实验和密度泛函理论（DFT）分别从宏观能量和微观结构两方面对煤体中甲烷气体的吸附与解吸机理进行了研究，发现宏观规律和微观量化计算结果之间具有相关性。通过实验数据分析和理论计算完成的主要工作如下： （1）温度是甲烷气体解吸的最重要影响因素。通过宏观温度场下甲烷气体的两次解吸实验分析，结果表明甲烷气体的吸附为物理吸附，没有能级结构。甲烷气体在煤体中的赋存是一个同时包含吸附、解吸、扩散、渗流和累积的动态过程，温度升高会导致煤体中的甲烷气体吸附速度和解吸速度同时增大，解吸气体含量增多，对此动态过程，提出了综合速度概念，综合速度由吸附速度和解吸速度合成，该速度与温度之间是非线性关系。 （2）煤对甲烷气体的吸附力为诱导力与色散力。在五种煤样红外光谱数据分析的基础上，采用密度泛函理论（DFT）对瓦斯吸附和解吸进行动力学分析，发现在吸附和解吸过程中，甲烷气体和煤体大分子结构键长、键角、二面角以及密立根电荷的变化，发现吸附过程主要是由于煤分子和甲烷分子之间存在电场相互作用，甲烷分子在吸附过程中被极化，煤大分子自身密立根电荷量也重新分布，煤分子和甲烷分子最终达到电场力相互平衡，吸附力为诱导力各色散力。 （3）提出了采用密立根电荷量定量分析吸附空位的方法，对煤体甲烷气体多分子层吸附理论进行了验证。通过对吸附过程的动力学分析，结果显示在吸附过程中起主要作用的是电场力，整个煤体结构中的密立根电荷量分布发生了明显变化，即分子结构中的电荷分布对煤的吸附性有重要影响，故以密立根电荷量作为煤对甲烷气体的吸附空位的判定依据。计算了甲烷气体的吸附能和吸附势阱深度，发现在同一吸附空位附近有多个吸附平衡位置，对应的吸附距离和吸附能都不同，说明甲烷气体存在多层吸附的可能性。 （4）甲烷气体的吸附与解吸动力学过程是宏观能量和微观结构之间相互作用的共同结果。通过宏观实验结论和微观理论分析相互验证，研究宏观规律和微观机理之间的对应关系，温度变化引起甲烷气体宏观能量变化，同时会对甲烷气体的微观吸附结构产生影响，而微观吸附结构的变化又反过来影响宏观压强和煤体结构，即解吸和吸附是宏观因素和微观因素共同作用的结果。 【关键词】：温度场 密度泛函理论 大分子骨架模型 吸附与解吸 吸附模型
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712;TD713
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 1 绪论10-29
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究动态11-25
• 1.2.1 吸附与解吸模型12-17
• 1.2.2 吸附与解吸影响因素17-22
• 1.2.3 吸附与解吸动力学22-25
• 1.3 研究内容及拟解决的关键问题25-27
• 1.3.1 现有研究成果评述25-26
• 1.3.2 研究内容及关键问题26-27
• 1.4 研究方法及技术路线27-29
• 1.4.1 研究方法27-28
• 1.4.2 技术路线28-29
• 2 温度场下 CH_4气体解吸动力学实验29-42
• 2.1 温度场在煤体甲烷解吸中的作用研究29-32
• 2.2 高浓度甲烷浓度测定方法32-34
• 2.3 甲烷解吸动力学实验34-36
• 2.3.1 煤样的选取及处理34-35
• 2.3.2 甲烷气体解吸的光声共振光谱测定35-36
• 2.4 温度场下甲烷解吸规律分析36-39
• 2.4.1 光声共振光谱实验数据处理36-38
• 2.4.2 动态解吸过程的综合速度分析38-39
• 2.5 瓦斯气体抽采对吸附和脱附的影响39-40
• 2.6 小结40-42
• 3 煤样红外光谱实验42-52
• 3.1 概述42-48
• 3.1.1 红外光谱理论42-43
• 3.1.2 吸收峰频率43-46
• 3.1.3 光谱强度46-47
• 3.1.4 峰值的位移47-48
• 3.2 光谱测试煤样的制备与实验过程48
• 3.3 煤样红外光谱分析48-50
• 3.4 小结50-52
• 4 煤大分子结构量化研究52-69
• 4.1 自由态 CH_4分子属性分析52-56
• 4.1.1 密度泛函理论（DFT）的应用52-55
• 4.1.2 CH_4分子结构分析55-56
• 4.2 煤大分子结构的构建56-67
• 4.2.1 煤的结构模型56-60
• 4.2.2 煤大分子骨架结构模型60-61
• 4.2.3 模型平衡结构优化61-67
• 4.3 小结67-69
• 5 煤对 CH_4分子吸附动力学研究69-88
• 5.1 吸附表面力场及吸附空位判定69-72
• 5.1.1 煤体吸附表面力场分析69-70
• 5.1.2 吸附空位量化分析方法70-72
• 5.2 吸附模型结构分析72-74
• 5.2.1 吸附模型的构建72-73
• 5.2.2 多分子层吸附结构优化73-74
• 5.3 吸附态平衡结构密度泛函分析74-82
• 5.3.1 吸附态 CH_4分子结构特性74-75
• 5.3.2 吸附结构密立根电荷分布75-77
• 5.3.3 吸附结构键长、键角、二面角77-82
• 5.4 吸附模型光谱82-86
• 5.4.1 吸附模型红外谱、拉曼谱82-85
• 5.4.2 光谱位移分析85-86
• 5.5 小结86-88
• 6 瓦斯吸附/解吸微观机理分析88-97
• 6.1 吸附能及势能函数88-92
• 6.1.1 势能函数88-89
• 6.1.2 吸附模型势阱深度89-92
• 6.2 宏观解吸规律的微观量化机理92-95
• 6.2.1 物理吸附的微观机理92-93
• 6.2.2 多层吸附理论分析93-95
• 6.3 瓦斯吸附解吸机理分析95-96
• 6.4 小结96-97
• 7 结论与展望97-100
• 7.1 结论97-98
• 7.2 主要创新点98-99
• 7.3 研究展望99-100
• 致谢100-101
• 参考文献101-114
• 攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况114

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