构造煤超临界CO2/CH4吸附解吸特性及控制机理

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本文以淮北地区5个中煤级不同变形程度构造煤为研究对象,基于45℃、干燥条件下超临界CO2、CH4等温吸附/解吸实验研究构造煤的超临界吸附/解吸特性,并结合压汞、低温液氮及二氧化碳吸附孔隙结构和X射线衍射、傅里叶红外光谱化学结构的测试分析,揭示构造煤的孔隙结构、化学结构演化对其超临界吸附/解吸特性的控制机理。取得了如下主要成果:(1)超临界CO2过剩(绝对)吸附/解吸曲线均呈两段式演化,在突变压力8 Mpa(吸附)/10 Mpa(解吸)之前,曲线先升后降,具Ⅰ型等温线特征,而后随着压力的增加,曲线急剧上升,具Ⅱ型等温线特征,同时在吸附/解吸过程中均存在负吸附现象。超临界CH4过剩吸附/解吸曲线随压力的增加先升后降,存在吸附最大值,而其绝对吸附/解吸曲线先快速上升而后逐渐变缓,两者均具Ⅰ型等温线特征。随着变形程度的增加,构造煤超临界CO2最大吸附量(超临界CH4极限吸附量)具增大趋势,而超临界CO2、CH4吸附/解吸可逆性呈相反的演化规律。(2)随变形程度的增加,构造煤大孔-极微孔的总孔容、总比表面积呈增大趋势,各阶段孔容、孔比表面积表现出差异演化,其中极微孔最为发育,且各孔径段分形维数也具增大趋势。构造煤对超临界CO2(CH4)的吸附能力,主要随着极微孔(微孔)含量的增加而增强。控制超临界CO2、CH4吸附/解吸可逆性的关键物理因素为极微孔,但因二者的主要吸附空间及吸附机理差异,其吸附/解吸可逆性随极微孔含量的增加分别呈增强与减弱趋势。(3)随变形程度的增加,构造煤脂肪侧链及含氧官能团逐渐脱落,芳构化作用及环缩合程度增强,煤晶核中芳香碳网片层快速增大,煤晶核趋于扁平化。官能团为控制超临界CO2(CH4)吸附量的关键化学因素,随着芳香结构、脂肪结构的增加及含氧官能团的减少,构造煤对超临界CO2(CH4)的吸附能力具增强趋势。构造煤化学结构演化对超临界CO2、CH4吸附/解吸可逆性具有相异的控制作用。该论文含图36幅,表29个,参考文献159篇。
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