新疆尼勒克长焰煤大分子模型构建及CH₄吸附特征分析

摘要

煤大分子结构的精确表征对于揭示煤岩CH₄的吸附机理具有重要意义。以新疆尼勒克地区长焰煤为研究对象，基于工业分析、元素分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和固体核磁(¹³C-NMR)等测试手段，借助ACD Predictor和Materials Studio软件构建煤大分子模型，采用分子动力学（MD）、巨正则蒙特卡洛（GCMC）数值模拟方法和等温吸附实验物理模拟方法研究了不同温度和压力条件下煤岩CH₄吸附特征。结果表明：（1）尼勒克长焰煤中芳香结构由苯环和萘组成，桥碳与周碳比为0.21；亚甲基是主要的脂肪结构，占比54.66%，甲基和次甲基分别为28.12%、17.22%；杂原子中氧包含1个醚键、17个羟基、3个羰基、4个羧基；氮以吡啶和吡咯的形式存在；（2）尼勒克长焰煤分子式为C₁₇₁H₁₇₈O₂₉N₂，分子量为2725，孔隙率为15.21%，孔径分布临界峰值为1.8Å；（3）物理模拟和数值模拟得到的CH₄吸附等温线趋势基本一致。等温过程中，压力小于10 MPa时，吸附量迅速增加；10～25 MPa时吸附量缓慢增加；压力大于25 MPa时，吸附量趋于稳定或略有下降；（4） CH₄分子优先吸附在较大微孔，然后占据更小的微孔；等压过程中，温度升高吸附量线性下降。研究结果可为尼勒克地区煤层气高效开发提供煤大分子模型参考和分子尺度的理论支撑。

关键词

长焰煤 / 煤大分子结构 / 分子模型 / 动力学模拟 / 吸附特征

基金资助

新疆维吾尔自治区重点研发计划（2024B03002）; 国家科技重大专项（2024ZD1406000）; 新疆维吾尔自治区“天山英才”科技创新领军人才支持项目（2023TSYCLJ0005）