基于分子结构差异的镜/暗煤纳米孔隙对H₂O吸附的影响

摘要

煤的分子结构差异是宏观煤岩性质变化的根本原因，而不同宏观煤岩组分的纳米孔隙结构又直接影响到煤层气的吸附/解吸特性。尽管在煤分子结构的研究方向已有诸多探索，但针对不同宏观煤岩组分展开研究，构建大分子结构模型并在此基础上分析纳米孔隙结构中能量变化及吸附特性差异的研究尚不多见。为了探究不同宏观煤岩组分的纳米孔隙微观结构对H₂O吸附特征，采用巨正则系综蒙特卡洛（GCMC）模拟方法及分子动力学模拟技术，研究不同温度、不同压力、不同孔径的狭缝型镜/暗煤分子模型对H₂O的饱和吸附、等温吸附及等量吸附热特征。结果表明，暗煤的接触角与润湿热大于镜煤，反映出暗煤的水润湿性优于镜煤。在煤分子模型饱和吸附H₂O的模拟中，由于微观结构中暗煤的含氧官能团含量高于镜煤，故暗煤的吸附热和吸附量均大于镜煤。在不同狭缝孔等温吸附模拟中，H₂O的吸附量和吸附热均与温度呈负相关关系，与压力和孔径大小呈正相关关系。孔径增大，H₂O的等量吸附热呈减小趋势。这是由于煤的各相异性，H₂O的赋存空间变大，更多分子处于游离态，同样使得煤样与H₂O的相互作用机会减少，因此等量吸附热随着孔径的增大而减小。

关键词

宏观煤岩组分 / 纳米孔隙 / 巨正则系综蒙特卡洛模拟 / 等温吸附 / 吸附热

基金资助

国家自然科学基金项目(41902175); 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室2024年度开放课题项目(KFKT2024-02); 山西省揭榜招标项目(20201101002)