糜棱煤与原始结构煤中CH?/CO?竞争吸附机制的分子动力学研究

《Scientific Reports》：Differences in competitive adsorption mechanisms of CH4 and CO2 in mylonitic and primary structure coal

　　

摘要

由于强烈的煤体变形，构造变形煤与原始结构煤表现出显著不同的气体吸附-脱附特性，使其成为煤层气开发和瓦斯灾害防治的研究热点。为探究糜棱煤与原始结构煤中CH₄和CO₂竞争吸附机制的差异，本研究以朱仙庄矿区八号煤为研究对象。基于实验结果，分别构建了糜棱煤（C₂₁₄H₁₅₉N₃O₂₀）和原始结构煤（C₂₀₈H₁₅₂N₂O₁₈）的分子模型，并利用分子动力学方法对CH₄和CO₂单组分及不同比例混合气体进行了等温吸附模拟。结果表明，两类煤对CH₄和CO₂的吸附均属于物理吸附，且在低温高压下吸附能力更强。在相同条件下，CO₂的吸附量和吸附热均高于CH₄，且糜棱煤中CO₂的吸附优势更为显著。这与糜棱煤中芳香环共轭π电子体系更完整、含氧官能团更丰富以及超微孔占比更高密切相关。由于CO₂分子具有较强的极性和较小的动力学直径，其更易与π电子发生相互作用并产生“孔填充效应”。在混合气体吸附过程中，随着CO₂摩尔分数的增加，两类煤的总吸附量和相互作用能均有所提升。尽管CO₂对CH₄的吸附选择性系数有所降低，但始终大于1，且糜棱煤的选择性系数更高。CO₂的能量分布曲线向低相互作用能的吸附位点偏移，而CH₄的能量分布曲线则呈相反趋势，且糜棱煤中气体分子曲线的偏移幅度更大。此外，糜棱煤的相互作用能以范德华力为主导，其占比高于原始结构煤。同时，糜棱煤的CH₄吸附热波动范围更大，反映出其更强的CO₂竞争吸附能力。研究成果为矿井瓦斯防治和高效煤层气开发提供了理论依据。