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    煙煤物理吸附氧氣的吸附機(jī)理

    2022-12-01 08:53:14華坤鵬逯園坤
    煤礦安全 2022年11期
    關(guān)鍵詞:力場(chǎng)等量步數(shù)

    華坤鵬,逯園坤

    (1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司,江蘇 常州 213015;2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司,江蘇 常州 213015;3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 葫蘆島 125105)

    煤炭是我國(guó)的主要能源,占能源結(jié)構(gòu)的70%。煤炭自燃是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。雖然從17 世紀(jì)以來(lái)己經(jīng)有大量關(guān)于自燃的研究,但是目前還沒(méi)有清楚地了解煤的自燃機(jī)理。煤自燃機(jī)理的研究工作,對(duì)于提出行之有效的防治措施,提高自燃防治工作的效率非常重要,對(duì)保護(hù)礦工人身安全、保護(hù)煤礦資源和凈化生態(tài)的環(huán)境具有重要的實(shí)用價(jià)值[1-3]。

    近年來(lái),為了從分子水平上認(rèn)識(shí)煤與氧氣的物理吸附的相互作用機(jī)制,許多學(xué)者分別從物理實(shí)驗(yàn)和量子化學(xué)方法進(jìn)行了研究。在通過(guò)煤與氧氣物理吸附的物理實(shí)驗(yàn)來(lái)研究其特性方面,鄧軍等[4]利用ZRJ-1 型煤自燃傾向測(cè)定儀研究了不同溫度下的煤的物理吸氧量變化規(guī)律;張樹(shù)川等[5]采用ZRJ-1 型煤自燃傾向測(cè)定儀在不同氧氣流量下煤物理吸附氧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到在環(huán)境溫度等條件相同的情況下煤物理吸內(nèi)氧量的最佳氧氣流量,從而確定了煤自燃傾向性鑒定實(shí)驗(yàn)的最適合吸附氧氣流量;一系列結(jié)果表明,影響吸氧量的因素有溫度、粒度、水分等。另一方面,通過(guò)分子模擬方法也是對(duì)煤與氧氣的物理吸附的一種比較好的方式,鄧存寶等[6-7]提出了煤表面在側(cè)鏈吸附單氧分子,要比在苯環(huán)上吸附對(duì)煤的氧化自燃的貢獻(xiàn)大、氧分子更易與煤表面中的氨基發(fā)生物理吸附;吳康華[8]整理了甲基苯甲酸模型、甲基苯甲醛、苯甲醚、苯甲醇的鍵長(zhǎng)、Mulliken 電荷布居數(shù)、吸附能得到了氧分子在活性基團(tuán)上發(fā)生吸附時(shí),將氧分子在不同活性基團(tuán)上的吸附活性排序:甲氧基>醛基>帶經(jīng)基的亞甲基>甲基>竣基;王曉波等[9]以簡(jiǎn)化的芳香環(huán)作為煤的芳香環(huán)骨架,并適當(dāng)添加側(cè)鏈構(gòu)建煤活性特征結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型,用于分析煤吸附氧氣的作用機(jī)理,通過(guò)比較幾何構(gòu)型、吸附位置、吸附平衡距離、電荷集居數(shù)與振動(dòng)頻率、吸附能得到側(cè)鏈對(duì)氧分子的吸附會(huì)造成苯環(huán)吸附減弱;相建華等[10]應(yīng)用巨正則系綜蒙特卡洛(GCMC)及分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)兗州煤模型的吸附行為進(jìn)行了研究,獲得了CH4、CO2與H2O 的吸附量、吸附構(gòu)型以及含氧官能團(tuán)的影響,并利用等量吸附熱及能量變化數(shù)據(jù)揭示了3 種物質(zhì)的不同吸附機(jī)理;金智新等[11]采用蒙特卡洛方法得到了水在煤中吸附過(guò)程概率密度的三維分布,從而更直觀全方位地認(rèn)識(shí)水的吸附行為及機(jī)理;武司苑等[12]應(yīng)用用Materials Studio 軟件得出一些CO2、N2等氣體的吸附規(guī)律,但Gaussian 程序是專(zhuān)門(mén)做量子力學(xué)的軟件,對(duì)分子動(dòng)力學(xué)的模擬缺少一些動(dòng)力學(xué)的分析。

    從以上的研究中,可以發(fā)現(xiàn)目前對(duì)煤物理吸附和化學(xué)吸附的研究現(xiàn)狀,還缺少煤物理吸附O2量的范圍和影響因素研究;同時(shí)對(duì)氧氣的吸附研究不是特別的完善;且在實(shí)驗(yàn)中煤對(duì)氧氣物理吸附和化學(xué)吸附的界限無(wú)法區(qū)分,無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式把化學(xué)吸附和物理吸附氧氣徹底區(qū)分開(kāi)。為了進(jìn)一步探究煤自燃機(jī)理,更好地掌握自燃的規(guī)律,應(yīng)當(dāng)加大對(duì)煤物理吸附氧氣的模擬研究力度,同時(shí)也應(yīng)對(duì)煤物理吸附氧氣微觀變化加大研究力度。為此,利用Materials Studio 軟件的蒙特卡洛模擬來(lái)進(jìn)行煤氧物理吸附研究,包括吸附的范德華能、等量吸附熱、吸附量、吸附密度、徑向分布函數(shù)、均方位移等;從微觀角度研究煤分子對(duì)氧分子的物理吸附過(guò)程,分析影響煤氧吸附的相關(guān)因素,得到煤物理吸附氧氣的規(guī)律,以了解煤物理吸附O2的特性[13-16]。

    1 煤結(jié)構(gòu)模型與計(jì)算方法

    1.1 平頂山煙煤模型

    煤結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,沒(méi)有固定的模型。以平頂山煙煤為對(duì)照,建立了煤分子模型,分子式為C108H71O4N,C、H、O、N 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為89.69%、4.91%、4.43%、0.97%。與平頂山煙煤的元素分析的質(zhì)量分?jǐn)?shù)十分接近。

    首先建立煤基本結(jié)構(gòu)和甲烷分子,利用采用Amorphous Cell 模塊根據(jù)基本結(jié)構(gòu)單元固定密度構(gòu)建周期性結(jié)構(gòu),將9 個(gè)煤分子和900 個(gè)甲烷分子共同構(gòu)筑在晶胞內(nèi),構(gòu)筑密度為0.3 g/cm3,力場(chǎng)選擇Dreiding 力場(chǎng),溫度為298 K,計(jì)算步數(shù)為1×107步,然后將900 個(gè)甲烷分子刪除。通過(guò)Forcite 模塊進(jìn)行幾何優(yōu)化,首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,靜電場(chǎng)利用Atom based,設(shè)置范德華力的截?cái)喟霃叫∮诿壕О囊话?,力?chǎng)選擇Dreiding 力場(chǎng),計(jì)算步數(shù)為1×106,計(jì)算得出初步的煤超晶胞,首先需要宏觀正則系綜(NPT)進(jìn)行人為擴(kuò)胞,力場(chǎng)選擇Dreiding 力場(chǎng),模擬步數(shù)設(shè)為5×106,幀數(shù)間隔步數(shù)為500,溫度為298 K,使內(nèi)應(yīng)力變的合理,由于擴(kuò)胞后煤分子會(huì)發(fā)生一些扭曲,故需要用等溫等壓系統(tǒng)(NVT)使煤分子充分舒展開(kāi),力場(chǎng)選擇Dreiding 力場(chǎng),模擬步數(shù)設(shè)為5×106,幀數(shù)間隔步數(shù)為500,溫度為298 K,由于NPT 使體系具有一定的速度,所以初始速度設(shè)為Current,但得出的煤晶胞有可能沒(méi)收斂,需要重復(fù)進(jìn)行NPT 和NVT,使煤晶胞的邊長(zhǎng)趨于穩(wěn)定不變,在經(jīng)過(guò)2 次循環(huán)可得出合適的超晶胞。煤結(jié)構(gòu)及O2結(jié)構(gòu)模型如圖1。

    對(duì)于O2的模型現(xiàn)階段有2 種模型:一種是非極性分子,原子電荷為0;另1 種是帶虛原子的O2模型,如B Vujic[17]建立的O2模型(圖1),通過(guò)O-mid來(lái)構(gòu)造O2模型,這種模型的主要目的是兩端的氧原子點(diǎn)帶電荷,但整體的氧分子的是不帶電荷。選擇更合理的非極性分子O2模型即氧分子的原子電荷為0,O-O 鍵長(zhǎng)為0.148 0 nm。

    圖1 煤結(jié)構(gòu)及O2 結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Coal structure and oxygen structure model

    1.2 計(jì)算方法

    利用Materials Studio 中的Sorption 模塊,采用巨正則系綜蒙特卡洛(grand canonical monte carlo GCMC)方法,把吸附質(zhì)分子看作剛性小分子,因此,采用Metropolis 接受規(guī)則,接受吸附質(zhì)分子交換、構(gòu)象異構(gòu)化、轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)和再生的比例分別為4、2、2、2、0.1,其中轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度為5°平動(dòng)最大距離為0.1 nm。模擬的力場(chǎng)選擇Dreiding 力場(chǎng),Dreiding 力場(chǎng)適用于有機(jī)小分子、大分子、主族元素的計(jì)算,在該力場(chǎng)中總能量(E)包括價(jià)電子能(Eval)和非成鍵能(Enb),范德華能(Evdw)和氫鍵作用能(Ehb)都包含在非成鍵能中。前人研究結(jié)果表明此力場(chǎng)適用于煤結(jié)構(gòu)以及吸附的研究[18],靜電作用采用Ewald 加和法,精度為4.186×10-3kJ/mol,范德華作用和氫鍵作用采用Atom based 法,范德華力的截?cái)喟霃叫∮诿壕О囊话爰纯?,煤盒子的邊長(zhǎng)為38.899 nm,故分別取16 nm 和1 nm。經(jīng)過(guò)計(jì)算為使結(jié)果具有依據(jù)性,在模擬中C/D 要達(dá)到1.0 左右,經(jīng)過(guò)試算將模擬步數(shù)設(shè)為2×107,其中包括1×107的平衡步數(shù),1×107的生產(chǎn)步數(shù),最小能量框設(shè)為10 幀,用來(lái)計(jì)算過(guò)程中的物理吸附量。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 O2 的單組分等量吸附熱

    為研究溫度對(duì)煤物理吸附O2的影響,分析了在298.15、303.15 K,隨壓強(qiáng)增大的等量吸附熱,不同壓力下等量吸附熱隨吸附量變化情況如圖2。由圖2可知:由于溫度的升高,等量吸附熱逐漸下降,且等量吸附熱相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小,都小于42 kJ/mol,均屬于物理吸附,從側(cè)面驗(yàn)證了本方法適用于研究煤物理吸附氧氣的特性??梢钥闯鲈谀M的情況下,溫度對(duì)等量吸附熱的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)變化微小,且隨著壓強(qiáng)的增大等量吸附熱的變化微小。

    圖2 不同壓力下等量吸附熱隨吸附量變化情況Fig.2 Variation of equal adsorption heat with adsorption capacity under different pressures

    2.2 煙煤吸附能量變化

    除了預(yù)測(cè)宏觀現(xiàn)象,如吸附等溫線和吸附熱,GCMC 模擬還可以提供分子尺度上的詳細(xì)圖片,這些信息可以進(jìn)一步分析以獲得能量相互作用、擇優(yōu)位置和最終吸附機(jī)理的信息。這些勢(shì)能圖說(shuō)明了框架中具有最低相互作用能的區(qū)域,因此也就說(shuō)明了優(yōu)先吸附位點(diǎn),故利用GCMC 模擬結(jié)果進(jìn)行能量分析也是對(duì)物理吸附氧氣理論的補(bǔ)充,吸附能量分布圖如圖3。圖中:P(E)為能量E 的概率分布。

    圖3 吸附能量分布圖Fig.3 Adsorption energy distribution

    在壓力為定值100 kPa,在283.15~363.15 K時(shí),以能量為橫軸,以E 的概率為y 軸,即P(E)是E的概率,數(shù)值越大,則該能量的概率越高,因此也就說(shuō)明了優(yōu)先吸附位點(diǎn),負(fù)值越大說(shuō)明相互作用越強(qiáng),吸附位越有利。從圖3 可知,溫度升高,能量分布的概率越高,即在363.15 K 時(shí)P(E)在達(dá)到了最高點(diǎn),即此時(shí)概率最大,此值靠近0,即相互作用稍弱,其大致規(guī)律是物理吸附O2時(shí)隨溫度升高,相互作用呈減弱的趨勢(shì),從而影響吸附量下降。

    2.3 吸附密度場(chǎng)變化

    為更加直觀地了解煤物理吸附O2的吸附位及吸附時(shí)的微觀變化,同時(shí)分析了煤物理吸附O2的密度場(chǎng)變化。密度場(chǎng)分布代表了在蒙特卡洛平衡步數(shù)中煤物理吸附氧氣的吸附位的統(tǒng)計(jì)平均的結(jié)果,在298.15、303.15 K 下70~120 kPa 的吸附密度場(chǎng)變化情況如圖4、圖5。圖中的顏色越深表示其吸附位的吸附的概率越大,可以發(fā)現(xiàn)在298.15 K 時(shí),其吸附隨壓力增加,其著色點(diǎn)越多,意味著其吸附量越大,且大部分呈藍(lán)色,分布在空腔中,表示孔隙的吸附密度很低,且隨壓力增加,著色點(diǎn)少部分由藍(lán)轉(zhuǎn)紅,說(shuō)明其物理吸附會(huì)隨壓力的增加逐漸達(dá)到飽和,也從側(cè)面說(shuō)明煤物理吸附O2不易達(dá)到飽和。

    圖4 298.15 K 下吸附概率密度分布圖Fig.4 Distribution of adsorption probability density at 298.15 K

    圖5 303.15 K 下吸附概率密度分布圖Fig.5 Distribution of adsorption probability density at 303.15 K

    同時(shí)為比較溫度對(duì)煤物理吸附O2的影響,對(duì)比298.15、303.15 K 的吸附密度圖,發(fā)現(xiàn)在同等壓力下,由298.15 K 至303.15 K 其著色點(diǎn)個(gè)數(shù)稍有降低,說(shuō)明吸附位概率稍有減少,吸附量有下降。

    煤物理吸附O2的密度分布的分析,與上述的等量吸附熱、等溫吸附線、吸附能量、吸附量得到的結(jié)果是一致,這些特性相互驗(yàn)證,為煤物理吸附O2機(jī)理提供更多的理論基礎(chǔ)。

    2.4 孔隙中O2 分子和官能團(tuán)的相互作用

    2.4.1 孔隙中O2分子和芳香官能團(tuán)的相互作用

    徑向分布函數(shù)gab(r)(Radial distribution function)是描述粒子密度作為距參考原子的距離的函數(shù)如何變化,是表征粒子微觀結(jié)構(gòu)特征的物理量,能夠反映粒子聚集有序的特性,可以解釋為系統(tǒng)的局域密度與平均密度的比值,其表達(dá)式為:

    式中:dN 為距a 原子r 到r+dr 殼層范圍內(nèi)的b粒子的數(shù)目;ρb為粒子b 的密度。

    煤中芳香結(jié)構(gòu)和脂肪結(jié)構(gòu)編號(hào)圖如圖6,在溫度298.15 K 的溫度下孔隙中O2與各類(lèi)官能團(tuán)的徑向分布函數(shù)如圖7。

    圖7 298.15 K 的溫度下孔隙中O2 與各類(lèi)官能團(tuán)的徑向分布函數(shù)Fig.7 Radial distribution function of O2 and various functional groups in pores at 298.15 K

    由圖7 可知,O2與吡咯形成明顯主峰,峰值大小為9.239 9,說(shuō)明在吸附過(guò)程中,吡咯官能團(tuán)的吸附能力相對(duì)幾種官能團(tuán)來(lái)說(shuō)是最強(qiáng)的,其次是苯,峰值大小是6.160 4,依次可得出各個(gè)官能團(tuán)的吸附能力順序,為吡咯>苯>萘>芘>菲> ,峰值大小分別為9.239 9、6.160 4、4.029 2、2.837 0、2.581 8、2.220 6,觀察其結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其芳香縮聚程度是影響O2吸附的最大因素。

    由于在分子結(jié)構(gòu)中具有類(lèi)似的芳香結(jié)構(gòu),故對(duì)比同種芳香結(jié)構(gòu)但側(cè)鏈不同時(shí),對(duì)O2吸附的影響,煤中芳香結(jié)構(gòu)徑向分布函數(shù)圖如圖8。

    圖8 煤中芳香結(jié)構(gòu)徑向分布函數(shù)圖Fig.8 Radial distribution function diagram of aromatic structure in coal

    由圖8 可知,在同種結(jié)構(gòu)中的峰值有不同,即3′>3,峰值分別為3.069 3、2.581 8,同時(shí)2>2′,峰值分別為2.650 0、2.315 5,對(duì)比結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)芳香官能團(tuán)對(duì)于吸附的影響強(qiáng)弱取決于其鏈長(zhǎng)。

    2.4.2 孔隙中O2分子和脂肪官能團(tuán)的相互作用

    根據(jù)數(shù)據(jù)分析對(duì)比并計(jì)算徑向分布函數(shù)得到煤中脂肪結(jié)構(gòu)徑向分布函數(shù)如圖9。由圖9 可知,羥基側(cè)鏈?zhǔn)菍?duì)O2吸附作用較強(qiáng)的官能團(tuán),甲基稍弱于羥基側(cè)鏈,其羥基峰值大小為13.588 1,其次為10 號(hào)甲基峰值大小為7.626 0,7、9、11 號(hào)甲基峰值大小分別為6.245 6、7.325 0、6.930 4,可知在吸附過(guò)程中羥基比甲基的作用大,說(shuō)明在吸附時(shí)優(yōu)先吸附羥基側(cè)鏈,對(duì)比芳香結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù),發(fā)現(xiàn)芳香官能團(tuán)的峰值普遍小于脂肪結(jié)構(gòu),可以分析出芳香官能團(tuán)主要提供O2的棲息空間,側(cè)鏈含量、空隙的開(kāi)放程度、芳香官能團(tuán)的大小等決定了其吸附能力,優(yōu)先吸附位點(diǎn)為羥基。這對(duì)于抑制煤物理吸附O2作用機(jī)理細(xì)化補(bǔ)充提供參考。

    圖9 煤中脂肪結(jié)構(gòu)徑向分布函數(shù)Fig.9 Radial distribution function of fat structure in coal

    2.4.3 氧氣的吸附位

    利用蒙特卡洛方法與分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算得出的吸附密度場(chǎng)和吸附構(gòu)型圖分別如圖10、圖11??梢缘贸觯? 種計(jì)算結(jié)果一致,在物理吸附O2過(guò)程中,O2分子大部分賦存在芳香官能團(tuán)所圍成的一系列微孔中。

    圖10 蒙特卡洛方法的吸附密度場(chǎng)Fig.10 Adsorption density field of Monte Carlo method

    圖11 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的吸附后的結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure diagram after adsorption calculated by molecular dynamics

    2.5 孔隙中O2 分子的擴(kuò)散

    通過(guò)MD 來(lái)計(jì)算粒子的微分方程得到其運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)坐標(biāo),分別統(tǒng)計(jì)模擬時(shí)間內(nèi)的均方位移平均值,發(fā)現(xiàn)粒子的均方位移和時(shí)間已達(dá)到線性關(guān)系,由Enistein 定律表面擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到恒定,說(shuō)明本次模擬符合擴(kuò)散系數(shù)統(tǒng)計(jì)的可靠性要求。

    式中:D 為擴(kuò)散系數(shù);N 為粒子數(shù)量,個(gè);t 為時(shí)間間隔,s;ri(t)為分子在t 時(shí)刻的質(zhì)心位置,nm;ri(0)為分子在0 時(shí)刻的質(zhì)心位置,nm。

    由式(2)計(jì)算在298.15 K 下可得自由擴(kuò)散系數(shù)為3.550 22×10-11,與文獻(xiàn)[10]模擬的數(shù)值相接近,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差稍大,原因可能在于在模擬過(guò)程中的考慮含氧官能團(tuán)的影響及與實(shí)際孔徑有差別。觀察其數(shù)量級(jí)發(fā)現(xiàn)其對(duì)于吸附的影響并不大,故在吸附過(guò)程中可忽略其分子的自由擴(kuò)散。

    2.6 吸附等溫線及吸附量

    O2在最接近井下溫度的298.15 K 和303.15 K下70~120 kPa 的吸附等溫線如圖12。

    圖12 常溫常壓下吸附等溫線Fig.12 Adsorption isotherm at normal temperature and pressure

    由圖12 大致可以得出在同等壓力下,吸附量因溫度變化而變化,大致趨勢(shì)是隨著溫度升高,O2的物理吸附量是降低的,在同等溫度下上升趨勢(shì)大致相同,說(shuō)明壓力對(duì)煤吸附量的影響大致呈梯度上升,且呈正相關(guān),大致關(guān)系為一次函數(shù)關(guān)系,煤氧物理吸附量相對(duì)來(lái)說(shuō)較小,為簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)常溫常壓下的煤氧物理吸附量,分別得出298.15、303.15 K 下70~120 kPa 下的壓強(qiáng)與煤氧物理吸附量的數(shù)學(xué)關(guān)系。

    在298.15 K 情況下為:

    在303.15 K 情況下為:

    式中:x 為壓強(qiáng),kPa;y 為吸附量,mmol/g。

    在模擬過(guò)程中,為研究煤物理吸附O2的最大吸附量,使煤物理吸附O2達(dá)到飽和,在溫度298.15、303.15 K 下逐步提高壓強(qiáng),吸附飽和時(shí)吸附等溫線如圖13。由圖13 可發(fā)現(xiàn),煤物理吸附O2的最大吸附量是非常大的,在壓力從50 MPa 往后曲線的上升的緩慢,說(shuō)明煤的物理吸附O2逐漸趨近于飽和,在壓力達(dá)到近100 MPa 時(shí)煤物理吸附O2達(dá)到飽和,且在溫度一定時(shí),隨著壓強(qiáng)的增加,煤物理吸附O2量逐漸上升,且不容易達(dá)到飽和,直至填滿孔隙后才達(dá)到飽和。

    圖13 吸附飽和時(shí)吸附等溫線Fig.13 Adsorption isotherm at adsorption saturation

    為了更加細(xì)致研究溫度變化對(duì)吸附量的影響,在等壓情況下進(jìn)行了溫度變化的模擬,等壓情況下10~90 ℃的吸附量如圖14??芍涸谕葔毫ο码S著溫度升高,煤的物理吸附量總體呈下降的趨勢(shì),在10~40 ℃之間的下降趨勢(shì)變化較快,在60~90 ℃之間下降稍緩慢,在40~60 ℃之間有些波動(dòng),原因可能與煤升溫后煤的孔隙度變化有關(guān)。與實(shí)驗(yàn)的變化規(guī)律一致,在10~100 ℃的范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),且與煤的孔隙度變化有關(guān)。為更加準(zhǔn)確的估算,以溫度為橫坐標(biāo),吸附量為縱坐標(biāo),得出在100 kPa 下溫度與煤物理吸附O2量的數(shù)學(xué)關(guān)系式為:y=-0.015 7x+0.253 8。故此式可用來(lái)估計(jì)在常溫常壓下的煤物理吸附的量,是對(duì)于煤氧吸附機(jī)理的補(bǔ)充細(xì)化。

    圖14 等壓情況下10~90 ℃的吸附量Fig.14 Adsorption capacity at 10 - 90 ℃under constant pressure

    3 結(jié) 論

    1)溫度與O2物理吸附量呈負(fù)相關(guān),在100 kPa時(shí)其線性回歸方程為y=-0.015 7x+0.253 8;壓力與吸附量呈正相關(guān),且在常溫常壓下均可得出其回歸直線方程,用來(lái)預(yù)測(cè)O2的物理吸附量;溫度與等量吸附熱呈負(fù)相關(guān),壓力對(duì)等量吸附熱的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)較小,在實(shí)際計(jì)算中可以忽略不計(jì);隨著溫度增加吸附能量的最大值在0 附近,且分布概率的最大值隨溫度增加而增加,意味著相互作用逐漸減弱,吸附量下降;以密度分布圖的形式驗(yàn)證上述的結(jié)論,結(jié)合能量分布、吸附量、等量吸附熱等因素得到更加系統(tǒng)的煤物理吸附O2的特性,為后續(xù)研究煤自燃機(jī)理奠定了理論基礎(chǔ)。

    2)溫度為298.15 K 時(shí)的O2的自由擴(kuò)散系數(shù)為3.550 22×10-11m2/s。在吸附過(guò)程中可忽略其分子的自由擴(kuò)散。

    3)O2與含氧官能團(tuán)的吸附作用影響分別為吡咯>苯>萘>芘>菲>

    先吸附位點(diǎn)為羥基,對(duì)于抑制煤物理吸附氧氣作用機(jī)理的細(xì)化補(bǔ)充提供參考。

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