煤炭学报

作者：贾进章, 邢迎欢, 李斌, 贾鹏, 吴禹默, 杨强, 王东明,

关键词：硫化氢, 吸附–扩散, 巨正则蒙特卡罗, 分子模拟, 吸附机理,

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1.066×10–10 m2/s升至2.025×10–10 m2/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。

来源：2024年第2期

《煤炭学报》期刊编辑部

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