为了明确硫化氢(H2S)在煤中吸附扩散的微观动力学机理,揭示不同温度、压力对煤吸附H2S分子吸附扩散特性的影响机制,基于巨正则蒙特卡罗(GCMC)、分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)方法,利用Material Studio软件研究了温度在273.15~313.15 K、压力1~1 000 kPa时H2S在气肥煤大分子模型中的吸附扩散特征。结果表明:温度由273.15 K升至313.15 K时,H2S的饱和吸附量由38.34 mL/g降至31.85 mL/g,降低了16.93%,当压力为1 kPa时,温度对吸附量的影响最为敏感。温度为293.15 K时,压力由1 kPa升至1 000 kPa时,最可几相互作用能由-39.391 kJ/mol升至-34.301 kJ/mol,随着压力的增加,最可几相互作用能先快速增加,后缓慢增加。在吸附H2S过程中,H2S的等量吸附热在36.63~41.43 kJ/mol内,为物理吸附,等量吸附热随着吸附量的增加呈现出负指数变化;H2S的吉布斯自由能ΔG为-3.57~-24.57 kJ/mol,吸附熵ΔS为-0.126~-0.194 8 kJ/(mol·K),随吸附量升高ΔG和ΔS的绝对值线性降低,H2S的吸附自发性和系统的混沌程度均降低。H2S与气肥煤的相互作用能为-492.47~-3 390.95 kJ/mol,以范德华能为主,占总能量的58.67%,以静电能为辅,占41.33%,随着吸附量的增加,相互作用能绝对值增加,吸附量与相互作用能的变化具有一致性。H2S与羧基的相互作用最强,羟基次之,H2S在—OH、—COOH、—C=O周围存在双层吸附。温度由273.15 K升至313.15 K,H2S分子的扩散系数由1.066×10-10m2/s升至2.025×10-10m2/s,温度升高会导致原本闭合的孔吼孔道打开,增加裂隙的连通性,温度升高,增加H2S分子平均自由程,使得H2S扩散能力增强,H2S扩散活化能为11.206 kJ/mol。H2S相对体积分数分布呈现多峰结构,H2S在气肥煤大分子模型中呈层状结构分布。H2S的极限吸附热为42.898 kJ/mol,H2S与煤体上—OH、—COOH、—C=O活性基团产生氢键作用,H2S在吸附初期存在微弱的化学吸附。
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本文档关键词:硫化氢,吸附,扩散,机理,蒙特卡罗
