水环境下甲烷在不同润湿性石英表面吸附行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究水环境下石英表面润湿性对甲烷在石英狭缝中吸附行为的影响。结果表明:对于亲水性较强的石英表面,水分子优先吸附于石英表面,甲烷分子在狭缝中心发生团聚;而疏水性较强的石英表面,甲烷分子优先吸附于石英表面,水分子在狭缝中心发生团聚;当石英表面为中性润湿时,石英表面对这两种分子没有表现出优先选择性吸附。水、甲烷与不同润湿性石英表面的相互作用能表明,水/固相互作用是水环境下甲烷在石英狭缝中吸附构型改变的主要驱动力。     

膨胀石墨对碱性嫩黄和聚乙二醇的竞争吸附性能

以硫酸为插层剂,高锰酸钾为氧化剂制备了膨胀石墨(EG)吸附剂.以聚乙二醇PEG(相对分子质量为10 000)和染料碱性嫩黄-O(ALYO)为吸附质,研究了其在EG上的吸附、竞争吸附热力学及动力学性能.研究表明:1)EG对ALYO和PEG都有一定吸附能力,ALYO和PEG在EG上的吸附及竞争吸附等温线均为I型;2)在2组分共存竞争吸附中,第2种吸附质的存在会降低第1种吸附质在EG上的吸附量,ALYO和PEG在EG相同结构位点上存在竞争吸附;3)竞争吸附中EG对2种组分的总吸附量高于单组分体系中单个组分的吸附量,ALYO和PEG可以分别吸附在EG的不同结构位点上;4)吸附和竞争吸附过程均可以用准二级模型来描述,吸附速率常数随吸附过程温度的升高而增大;5)吸附作用以物理吸附为主.     

不同润湿性修饰石英吸附甲烷的模拟研究

润湿性是油气藏储层岩石的重要基础参数之一，其特征直接影响流体在岩石孔道内的微观分布和宏观分布特征。从微观层面认识页岩气与矿物的相互作用是深入理解页岩气赋存状态的基础。采用分子模拟研究了甲烷在不同石英模型中的吸附行为，考察了不同晶面、亲水与亲油官能团修饰模型对甲烷吸附的影响。研究结论表明，不同晶面模型中，（100）面的吸附量大于其他晶面的吸附量；甲烷在亲油修饰模型中的吸附量大于亲水修饰模型的吸附量；两种修饰模型吸附量均随着压力增加而增加，随温度的升高而减小，且温度对吸附量的影响小于孔径的影响；相同条件下，润湿性修饰模型的吸附量远大于无润湿性修饰模型的吸附量；1 nm修饰模型中甲烷只在壁面处形成吸附层，而2 nm修饰模型中形成多个吸附层。     

煤表面分子对甲烷吸附力场研究

采用密度泛函理论DFT方法,建立煤大分子骨架模型,并以范德华力作用半径为边界条件,构建煤大分子对CH_4分子吸附的量子动力学模型,在6-311G++基组上对煤大分子骨架模型和吸附模型结构进行优化,通过密立根电荷量分析了煤大分子表面的吸附空位,以及甲烷气体分子从游离态到吸附态的物理结构和特性变化。研究结果表明,煤表面分子和甲烷分子之间的吸附力场主要是静电场,甲烷分子在吸附过程中被极化,产生电偶极矩,C-H分子键长增大,吸附质和吸附剂之间的范德华力主要是诱导力和色散力以及甲烷分子被极化后的取向力,煤大分子表面的吸附空位可以通过煤大分子中各原子的密立根电荷量分析定量确定,通过模型结构优化发现,同一吸附空位可以对应多种甲烷分子吸附平衡结构,煤对甲烷分子的吸附为多分子层吸附。     

H_2O和CH_4在煤表面竞争吸附机理

为从微观上探讨H_2O和CH_4在煤表面竞争吸附的机理,构建C30H14(9个苯环)代表煤局部表面,通过密度泛函理论分析甲烷分子,水分子和煤局部表面之间的相互作用。结果表明,水分子在煤表面的吸附比甲烷分子在煤表面的吸附更加稳定,二者以最稳定吸附构型吸附时的吸附能分别为-13.23 kJ/mol和-10.13 kJ/mol.当甲烷分子与已吸附水分子的煤表面作用时,甲烷分子吸附能显著下降,吸附平衡距离增大,表明水分子能迫使甲烷吸附到不稳定位置。水分子和甲烷共存时,水分子处于吸附状态,甲烷分子处于脱附状态且总能量最低,进而从分子水平表明水和甲烷竞争吸附时水处于主导地位。     

分子模拟研究褐煤中含水量对甲烷吸附影响

煤层气(CBM)作为一种优质、高效、清洁的能源和化工原料在最近几十年得到广泛的关注.在我国现阶段开采褐煤中的煤层气,通常褐煤中伴随着较高的含水量,因此,研究褐煤中含水量对甲烷吸附的影响对于煤层气的开采有重要的现实意义.本论文利用分子模拟中的蒙特卡罗和分子动力学方法,探究含水量分别为0%,1.6%和3.2%的褐煤模型,在298,313和373 K 3种温度下甲烷吸附情况,同时测定甲烷的吸附热和N,O,S原子的径向分布函数.研究结果表明:甲烷的吸附量与吸附热都会随着含水量的增加而下降;当含水量一定时,甲烷吸附量会随着温度的升高而下降.此外,褐煤分子中的N和S原子较O原子与甲烷相互作用较强.本论文的分子模拟研究结果可为煤层气的开发提供先期的理论预测与科学依据.     

碳表面对甲烷吸附特性的第一性原理研究

为研究碳表面对甲烷的吸附特性,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究了甲烷分子吸附在碳表面后的电子态密度、功函数和吸附能,同时研究了碳的表面能、层间弛豫与表面厚度之间的关系。计算结果表明,层间弛豫是由于相邻层间的弱相互作用引起的;顶位是甲烷最稳定的吸附部位;甲烷的吸附位置位于碳的碳原子上方3.21处,吸附能为-0.133 e V,与碳表面厚度关系不大;因少量电荷从碳表面转移到甲烷分子,甲烷吸附会使功函数略有增强。     

页岩中甲烷虚拟饱和蒸汽压的计算方法研究

甲烷在页岩中的吸附属于物理吸附,同时甲烷在页岩储层中呈超临界状态吸附。引入过剩吸附量,对吸附实 验中吸附气量进行修正,并对Dubinin Astakhov（D A）方程进行改进,将改进后方程应用于研究页岩中超临界甲烷的 吸附特征曲线,并对虚拟饱和蒸汽压计算经验公式进行优选。研究结果表明：Dubinin 方法和Reid 方法计算虚拟饱和 蒸汽压偏低,Antoine 方程外推方法和Astakhov 方法计算虚拟饱和蒸汽压偏高;Amankwah 方法是计算虚拟饱和蒸汽 压的最优方法。页岩中超临界甲烷吸附特征曲线与温度无关,且得到具有物理意义参数的吸附特征曲线表达式。     

页岩气等温吸附分子动力学特征研究

页岩气等温吸附研究对了解页岩孔隙表面结构特征及认识气体分子在固体表面活动及吸附状态具有重要意义。利用基于狭缝假设的晶格理论方法,对甲烷在页岩中的吸附特征进行研究,对所定义的Y与X之间的线性关系进行了讨论,表明微孔中分子间平均势能Ea小于第1吸附层分子与固体间势能EA,EA/Ea在3.21~7.05之间,随温度升高该值保持在3.4左右。将利用晶格理论预测的Г与xb的关系与实测值进行了对比,结果表明晶格理论预测精度较高,表明该理论的假设合理,具有一定应用价值;但在平衡压力较高条件下尚需进一步研究。     

水分对不同煤种吸附甲烷特性影响及机理分析

为测定含水率对煤吸附甲烷特性的影响,采用朱仙庄矿的焦煤、赵庄矿的贫煤与阳煤五矿的无烟煤作为研究对象,依据高压容量法对不同变质程度煤进行甲烷吸附研究.分析了煤吸附甲烷特性及a,b值的变化规律,推算出三种煤样的水分影响系数.结果表明:焦煤、贫煤与无烟煤对甲烷的吸附量都会随煤样含水率的升高而减小,且在低含水率阶段,煤对甲烷的吸附速率变化较快,高含水率阶段,变化较缓;煤样含水率对煤的吸附常数a的影响较小,呈一次函数下降,对煤的吸附常数b影响明显,呈指数函数下降;煤样水分含量与水分校正系数的影响程度A,会随着煤变质程度的增大而减小.     

原儿茶酸分子印迹聚合物的色谱识别性能

应用非共价法在四氢呋喃溶剂中合成了原儿茶酸印迹聚合物.通过静态平衡吸附实验和高效液相色谱分析,评价了分子印迹聚合物对模板及其类似物的键合行为.结果表明：由于分子印迹聚合物基体存在大量多空的识别位点,并且这些位点的大小和形状与模板分子十分匹配,因此,分子印迹聚合物对模板分子具有高的吸附能力和选择性.Scatchard分析表明印迹聚合物表面有2类不同性能的键合位点.流动相及其流速对分析物的保留行为有较大影响.     

基于吸附势理论的页岩对甲烷吸附特性

 页岩气藏的甲烷吸附性能是页岩气藏开发的前提和基础,对页岩气资源预测、产能评价等有重要影响。根据不同温度下实测的页岩等温吸附数据,以吸附势理论为基础,对等温吸附数据进行处理分析得到ε-ω吸附特性曲线及其数学表达式。研究结果表明,页岩吸附甲烷的ε-ω吸附特性曲线是唯一的且与温度无关,可预测不同温度下甲烷吸附量,得到页岩吸附甲烷的吸附等温线;吸附相密度计算对ε-ω吸附特性曲线预测甲烷吸附量有重要的影响,吸附相密度经验公式与预测甲烷吸附量准确度有关,需进一步研究甲烷吸附相密度计算方法。     

气体在石墨表面的吸附及对其接触角的影响

为了研究气体在疏水性表面的吸附及其对接触角的影响,采用分子动力学方法研究了溶解在水中的气体在石墨表面的吸附现象,同时对水膜在吸附有不同数量气体分子的石墨表面上凝聚成小液滴的行为进行了研究。结果表明,溶解在水中的气体会在疏水性表面吸附,气体吸附会使小液滴的接触角变大,当吸附厚度大于约两个气体层厚时,接触角不再发生变化。     

烷烃在ZSM-5型分子筛中吸附的蒙特卡罗模拟

使用巨正则蒙特卡罗方法(GCMC)分别获得了甲烷和乙烷分子在ZSM-5型分子筛中的粒子云分布图和吸附等温线.从粒子云分布图上可以看出甲烷分子的吸附在直线型十元通道和S型十元通道内分布都比较均匀,而乙烷分子在S型十元通道内分布较少.从吸附等温线上可以得知这两种分子都可通过S型通道和直线型通道到达分子筛孔道内部;在较低压力下,分子筛对这两种分子就有较高的吸附量,并随着压力的增大而增大,在压力大于130 KPa时,甲烷的吸附量大于乙烷的吸附量.     

水分及温度对煤吸附甲烷的影响

采用煤吸附甲烷参数测定装置,研究了水分及温度对煤吸附甲烷的影响,对完善间接法测定煤层瓦斯含量具有重要意义.对不同变质系列的4种煤样,进行了干燥和不同水分条件下的等温吸附实验.结果表明Langmuir吸附模型拟合精度最高,并得到水分对吸附影响的校正公式.不同温度下的等温吸附实验表明,随着温度的升高,煤吸附甲烷量减小,但变化趋势并不明显.研究得到了实验测定甲烷含量的校正公式及其相对误差.     

甲烷在石墨烯与活性炭上的吸附平衡

］为研制ANG新型碳基吸附剂,分别选用比表面积为2074 m2·g-1的椰壳活性炭SAC-02和345 m2·g-1的石墨烯,在温度区间263~313 K、压力范围0~6 MPa,依据容积法的原理测试了甲烷在其上的吸附平衡数据,并由吸附等温线和等量吸附热的比较,分析了甲烷在两吸附剂上吸附平衡.结果表明:甲烷在活性炭上的过剩吸附等温线为典型的Ⅰ型,而石墨烯上在压力2 MPa以下为Ⅰ型,2~6 MPa之间吸附量与压力接近线性关系.在273 K和6 MPa时,甲烷在石墨烯上吸附量为4.6 mmol·g-1,活性炭的吸附量为11.2 mmol·g-1;甲烷在石墨烯和活性炭上的等量吸附热分别为14.32 kJ·mol-1~2.66 kJ·mol-1和13.99 kJ·mol-1~17.57 kJ·mol-1,石墨烯表面对甲烷分子作用能强     

石墨烯吸附有机分子硝基苯性质的第一性原理研究

基于量子力学的第一性原理,我们计算了石墨烯吸附有机分子硝基苯的特性.在吸附体系中,吸附分子平面平行于石墨烯衬底时吸附能最大,同时此吸附导致衬底晶格微弱的膨胀.吸附分子平面垂直石墨烯吸附时,吸附能较小,且衬底晶格有微弱的收缩.由于硝基和石墨烯之间较强的相互作用,吸附结构的能带中出现明显的掺杂态.这说明了石墨烯可以作为有机分子硝基苯的化学传感器件之一.     

膨胀石墨对大豆油吸附性能研究

为研究膨胀石墨对大豆油的吸附性能,采用化学氧化法制备膨胀石墨,分析膨胀石墨的微观结构和形貌.SEM结果显示,所制备的膨胀石墨具有蠕虫状的结构,并且疏松多孔.XRD结果表明,在2θ为26.3°和54.8°处分别有衍射峰,对应碳的(006)和(0012)晶面.以膨胀体积为203 mL/g的膨胀石墨为吸附剂,以大豆油为样品油,研究膨胀石墨对大豆油的吸附性能.结果表明:吸附时间,温度和pH对膨胀石墨的吸附效果影响较大,当吸附时间为2h,温度为15℃,pH为10时,可以得到最佳吸附性能.     

页岩气绝对吸附量转化新方法

为了弄清引起基于过剩吸附量的气-固超临界实验吸附等温线表现出极大值后下降现象的原因,在分子动力学原理的基础上,应用分子模拟方法,模拟了超临界甲烷在不同温度下0~50 MPa压力范围的分子密度,并结合单分子吸附理论对"过剩吸附量"和"绝对吸附量"进行了转换,并提出适用于临界前后大压力范围的转化方法。结果表明:分子模拟的密度结果与美国国家标准局(NIST)的数据一致,在甲烷超临界压力以下,"过剩吸附量"与"绝对吸附量"差异不大,但随着压力升高差异逐渐增大,在甲烷储层压力下,两者的差异可达到150%以上。该方法的转化具有较高精度,且突破了现有转化方法的低压条件限制。     

甲烷在页岩上吸附的热力学

为了研究页岩吸附甲烷的机理,通过容积法测定35,50和65℃时页岩甲烷吸附等温线,计算甲烷在页岩上的等量吸附热和极限吸附热,从热力学角度分析甲烷在页岩上的吸附行为。研究结果表明:甲烷在页岩上的吸附等温线具有Ⅰ型等温线特征,Langmuir吸附模型较好地拟合了吸附数据;根据吸附等温线计算的等量吸附热为15.50~17.65 kJ/mol,平均为16.88 kJ/mol,说明页岩对甲烷的吸附为物理吸附;等量吸附热随甲烷吸附量的变化而变化,是页岩表面的不均匀性和吸附分子间作用力综合作用的结果;极限吸附热定量地反映了页岩表面与甲烷气体作用力;在页岩气藏开发时,除了采用降压解吸开采外,对于极限吸附热较大的页岩气藏,可通过注入吸附能力更强的CO2等促使甲烷解吸。