韩城矿区煤岩显微组分的大分子结构研究

发布时间：2020-03-30 16:23

【摘要】：煤层气是指赋存在煤层中的以甲烷为主要成分的可燃有机气体,在煤化作用过程中,由于成煤物质和成煤环境的不同,各煤层的煤岩显微组分有较大差异,而煤岩显微组分对于煤体结构和吸附性具有较大影响。因此,为提高煤岩显微组分对煤层气吸附影响的认识,从而为有利区预测和煤层气开采提供理论指导。本文以韩城矿区不同煤岩显微组分(富镜质组、富惰质组)煤样为研究对象,收集韩城矿区基础地质资料,同时结合基础实验测试结果和计算机分子模拟技术,经过综合分析得到以下认识:1、对富镜质组象山(XS)煤样和富惰质组桑树坪(SSP)煤样的傅里叶转换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、核磁共振图谱(~(13)C-NMR)进行分峰拟合,并进行了定性和半定量分析。(1)芳香结构吸收带解析得出富惰质组煤样的邻位二取代含量较多,邻位三取代含量二者相差不大,而苯环五取代含量却是富镜质组煤样更占优势;从含氧官能团吸收带解析结果可以看出富镜质组煤样的CH_3对称弯曲振动含量明显高于富惰质组煤样;脂肪结构吸收带解析结果说明在两个煤样中亚甲基含量均高于甲基含量;羟基吸收带解析结果说明XS和SSP煤样的分子结构中-OH多以羟基-羟基缔合结构呈现,而非以游离状态呈现。(2)对XPS分析得出两煤样中氮的主要存在形态均为吡咯与吡啶型氮,并且吡啶与吡咯的总含量达75%以上,其次还含有较少的季氮和氮氧化物,其中氮氧化物可能是煤样中吡咯和吡啶在空气中被长期氧化的产物。对硫元素分析得出XS煤样中硫主要以噻吩硫和亚砜硫为主,SSP煤样主要以噻吩、亚砜硫和砜型硫为主。(3)从~(13)C-NMR图谱可以看出,峰位主要集中在0-50ppm和110-140ppm之间,并且富惰质组煤样芳香碳部分略高于富镜质组煤样,这主要是由于SSP煤样变质程度略高于XS煤样所致。通过对~(13)C-NMR图谱解析,结合核磁共振中碳原子化学位移归属表,计算出富镜质组煤样和富惰质组煤样的12个结构参数,从而得出富镜质组煤样的桥周边平均值为0.29,富惰质组煤样桥周边平均值为0.34。2、基于图谱实验分析数据,结合ACDLab软件和Material Studio软件,进行了初始模型构建和最终模型校正。(1)根据以上分析结果,构建了富镜质组煤样与富惰质组煤样的初始平面结构模型。其中富镜质组XS煤样以缩合程度为2和3的芳香化合物为主,富惰组SSP煤样以缩合程度为3的芳香化合物为主,并加入少量缩合度为4和5的芳香环,通过不断调整各官能团的连接方式和顺序,直至实验实测谱图与模型模拟谱图基本吻合,从而得到最终平面结构模型。(2)对最终平面结构模型进行分子力学几何优化和分子动力学退火优化,得到富镜质组与富惰质组煤样的最低能量构型,可以明显的看出,经过几何优化和退火优化后的模型,化学键经过了不同程度的扭转和弯曲,外观显示更加紧凑。通过对比优化前后能量变化,价电子能和非成键能都有很大程度的降低,其中价电子能的降低主要是依靠键伸缩能的减低,但是键角能和扭转能却有略微的增加,说明煤样的分子结构经过化学键的扭转及弯曲,从平面结构变成了更加稳定的立体结构,芳香环之间以л-л相互作用以近乎平行的方式更加稳定的排列。(3)利用~(13)C-NMR谱图对比、真相对密度比较和C、H、O、N、S等元素含量是否与元素分析结果接近等方式,来对构建的不同煤岩显微组分煤分子结构进行检验,通过检验证明构建的富镜质组XS煤样和富惰质组SSP煤样的大分子结构,能较好的反映煤样的主要结构特征参数,因此认为构建的大分子结构模型是比较合理的。3、将构建的最优周期性结构模型在Material Studio8.0软件中进行了饱和吸附和等温吸附特征研究,并得到了如下认识:(1)从富镜质组煤样和富惰质组煤样饱和吸附甲烷和二氧化碳过程中的能量变化可以知道,吸附作用主要依靠范德华能的作用,甲烷吸附没有氢键作用,而二氧化碳吸附有氢键能的作用,并且富惰质组煤中的氢键作用要强于富镜质组煤样,吸附属于物理吸附,吸附集中现象在富镜质组中表现更加明显。从饱和吸附数据看出,二氧化碳吸附量高于甲烷吸附量。(2)从等温吸附模拟实验数据得出,吸附量随着温度升高而降低,而且富镜质组煤样对温度的敏感性大于富惰质组煤样。吸附量随着压力增加均呈现“快吸—慢吸—动态平衡”三段式变化特征。同温同压下,二氧化碳与甲烷相比更容易被煤样吸附。将富镜质组煤样与富惰质组煤样置于相同温度和坐标系下,对比数据得出,在研究的四个温度点中,富镜质组煤样的甲烷和二氧化碳吸附量均高于富惰质组煤样。二元等温吸附模拟表明,CO_2与CH_4相比具有较强的吸附竞争性。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD712

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