CN104778329A - 一种分析co2/ch4在褐煤中吸附机理的方法 - Google Patents

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本发明结合密度泛函理论(DFT)、分子动力学(MD)和蒙特卡洛模拟(GCMC)三种理论计算方法，在分子模拟水平上研究了CO2/CH4气体在一种新型褐煤架构中的吸附实例，归纳总结出一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法。本发明通过分析褐煤结构空隙特性、CO2/CH4稳定吸附构型、CO2/CH4与褐煤结构的相互作用能以及相互作用方式、CO2/CH4在褐煤结构中的吸附位，对比分析CO2/CH4单组分和混合竞争吸附的差异，利用Langmuir等温吸附线以及PSD曲线研究了温度、压强、拓扑结构、孔径尺寸、静电贡献、官能团等影响CH4和CO2在褐煤结构中吸附的本质因素。本发明有助于更加深入地理解CO2、CH4及其混合物在褐煤结构中的竞争吸附作用，对煤层气开发和碳俘获与封存的发展和应用具有一定理论和实践指导意义。

Description

一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法
技术领域
本发明涉及煤层气的开发与利用研究领域，具体涉及一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法，其特征是利用密度泛函理论(DFT)、分子动力学模拟(MD)和巨正则蒙特卡洛模拟(GCMC)研究温度、压强、孔径尺寸、静电贡献、官能团等因素对褐煤中CO2/CH4吸附的影响。
背景技术
由人类活动导致的温室气体浓度增加所引起的全球气候变化问题已经成为影响世界经济秩序、政治格局和国际关系的一个重要因素以及决定世界能源前景的关键。减少温室气体排放除了提高能源利用效率、利用清洁能源和清洁燃烧技术外，另外的重要途径是二氧化碳的捕获和封存(CCS技术)。将CO2注入煤层不仅能提高煤层气的采收率，同时也能缓解温室效应，具有良好的经济效益和环境效益，这一技术涉及到CH4/CO2二元气体在煤层中的吸附过程，故研究CH4/CO2在褐煤结构中的吸附行为，压强、温度、孔径尺寸以及静电作用对吸附的影响对于煤炭开采和瓦斯防治具有重要的指导意义。分子动力学方法(MD)是一种计算机模拟实验方法，是研究凝聚态系统的有力工具。它是对理论计算和实验的有力补充，广泛应用于材料科学、生物物理和药物设计等。借助于蒙特卡洛方法(GCMC)我们可以找出能量最优点，而宏观性质可以通过系综平均得到。蒙特卡洛方法被广泛用于环境和材料科学以及化工吸附分离等行业，是平衡物系研究、物质微观结构、以及新材料制备和改性的最佳工具之一。DFT体系本身数值计算方法取得了巨大发展，使得DFT成为材料领域最先进、最高效的理论研究方法之一。通过DFT方法可以计算材料的物理化学性质，借以比较各种近似理论验证其正确性。本发明中我们结合密度泛函理论(DFT)、分子动力学模拟(MD)和蒙特卡洛模拟(GCMC)三种理论计算方法，在分子模拟水平上研究了CO2/CH4气体在褐煤结构中的吸附行为，考察了温度、压强、静电贡献、孔径尺寸、官能团等因素对煤层中CO2/CH4吸附的影响，通过对比褐煤结构中CO2/CH4的单组分与竞争吸附行为，揭示了CO2/CH4在褐煤结构中吸附差异的本质因素。通过归纳总结，形成一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法。
发明内容
本发明方法利用密度泛函理论(DFT)、分子动力学模拟(MD)和蒙特卡洛模拟(GCMC)三种理论计算方法，研究了CO2/CH4气体在褐煤结构中的吸附行为，通过计算CO2/CH4绝对吸附量、超额吸附量、选择吸附比，吸附热，拟合并对比分析Langmuir等温吸附线以及PSD曲线，考察温度、压强、静电贡献、拓扑结构、孔径尺寸等因素对煤层中CO2/CH4吸附的影响。结合实验研究文献，建立一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法。本发明方法所采用的计算机模拟软件为美国Accelrys公司研发的Materials Studio(MS)软件和美国西北大学的多功能计算程序Multipurpose Simulation Code简称MuSiC以及Gaussian 09。MS的Discover模块是分子力学计算引擎，它使用多种分子力学和动力学方法，以仔细推导的力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。
本发明的内容可分为褐煤结构模型构建及孔隙特性分析和CO2/CH4在褐煤结构中吸附机理研究两部分，具体内容如下：
(1)褐煤结构模型构建及孔隙特性分析
依据收集褐煤的煤层深度、煤层煤阶、煤层密度、煤岩组分数据，在MS中合理构建褐煤大分子结构模型；
在Gaussian 09中采用DFT方法优化分子结构，保证分子的能量达到平衡状态，采用NBO电荷计算褐煤分子结构的分子电子结构、电子密度分布、势能图进一步考察褐煤分子结构的电荷分布情况，分析褐煤分子结构的稳定性；
在MS中构建无定形态褐煤结构，并采用分子动力学模拟(MD)方法优化无定形态褐煤结构；采用Sarkisov和Duren方法评估初始模型的孔隙结构，计算孔隙度、有效孔隙体积、比表面积、孔隙尺寸分布、孔隙最大直径和孔隙限制直径；
(2)CO2/CH4在褐煤结构中吸附机理研究
在Gaussian 09中采用DFT方法，研究CO2/CH4与褐煤结构的相互作用能以及相互作用方式，分析CO2/CH4在褐煤结构表面的选择吸附位；采用DFT方法，研究CO2/CH4在褐煤结构表面的吸附类型和吸附构型并根据吸附能大小比较CO2/CH4吸附构型的稳定性；根据吸附能考察CO2/CH4在褐煤结构表面的吸附能力及其强弱；
在MuSiC中采用GCMC方法，计算单组分CO2/CH4绝对吸附量和超额吸附量，拟合Langmuir等温吸附线并拟合Langmuir吸附公式，考察温度、压强、静电贡献对单组份CO2/CH4在褐煤结构中吸附的影响；计算单组份CO2/CH4的吸附热，比较CO2/CH4吸附能力的强弱；计算褐煤结构中CO2/CH4混合气体吸附量、静电作用贡献以及选择吸附比，研究竞争吸附中CO2/CH4吸附差异以及CO2/CH4的竞争吸附填充过程，判断CO2/CH4的吸附位，考察温度、压强、静电贡献、官能团对CO2/CH4混合气体竞争吸附的影响，揭示CO2/CH4的竞争吸附机理。
本发明的有益效果在于：提出了一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的简便方法。本发明方法计算快速、结果准确，能从分子水平层次认识褐煤结构褐煤结构中CH4和CO2的吸附机理，并确定温度、压强、拓扑结构、孔径尺寸、静电贡献等因素对吸附性能的影响，可以为煤炭开采、瓦斯防治、设计新型碳捕获材料提供理论指导，缩短研发周期，同时也可以节省大量的人力、物力和财力。
附图说明
下面结合附图和实施案例对本发明进一步说明。
图1：具体研究技术路线流程图
具体实施方式
实例基于周期性的无定形褐煤结构研究了CH4/CO2在褐煤中的单组份以及竞争吸附过程，通过密度泛函理论(DFT)对电荷密度分析、分子结构稳定性分析、相互作用能及相互作用方式分析、选择吸附位分析、吸附类型和吸附构型稳定性分析，通过分子动力学模拟(MD)对孔隙特性分析，通过巨正则蒙特卡洛模拟(GCMC)对吸附量分析、静电贡献分析、选择性吸附分析、吸附热曲线分析、官能团对吸附位影响分析、温度对吸附的影响分析、压强对吸附的影响分析，研究了温度、压强、拓扑结构、孔径尺寸、静电贡献、官能团等影响CH4和CO2吸附的本质因素。具体实施方式分为以下4步：
(1)无定形褐煤结构模型构建
利用MS软件构建褐煤分子结构，本实例中选用C39H37NO10S这一种分子，使用COMPASS力场和Smart Minimizer方法优化分子结构；在此基础上采用正交晶系和周期性边界条件构建无定形褐煤结构，晶胞长为狭缝孔的平均体积密度保持在1033kg/m3；CH4和CO2以及体系表面的非成键作用包括范德瓦尔斯作用和静电相互作用，截断半径为采用NPT系综进行MD模拟，设置压力为0.01Gpa，模拟时间步长为1.0fs，动力学时间为1000ps；
(2)第一性原理电荷计算
使用Gaussian09计算原子电荷，稳定构型计算涉及到吸附质(褐煤分子)以及吸附剂(CH4、CO2)；采用DFT方法优化分子结构，保证分子的能量达到平衡状态，采用NBO电荷计算褐煤分子结构的分子电子结构、电子密度分布、势能图进一步考察褐煤分子结构的电荷分布情况，分析褐煤分子结构的稳定性；构型优化和能量计算采用DFT，6-31G+(d，p)，WB97XD，NBO基组；
(3)巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟
在MuSiC中进行GCMC模拟，采用Peng–Robinson方程式来计算模拟压力，采用298K、313K、373K以及0.05-10MPa来模拟地层条件的温度和压强；模拟的迭代次数为1.0×108；用Lennard-Jones(LJ)势函数和库仑力作用来计算CH4-CH4、CH4-孔隙壁、CH4-CO2、CO2-CO2、以CO2-孔隙壁之间的相互作用。原子的LJ参数取自经典普遍力场(UFF)；
(4)性质分析
计算CO2/CH4绝对吸附量，拟合Langmuir绝对等温吸附线并拟合Langmuir吸附公式采用ne＝na-Vpρb公式计算CO2/CH4超额吸附量，拟合Langmuir超额等温吸附线，采用公式计算静电作用贡献，计算选择吸附比、吸附热，拟合选择吸附比曲线，考察静电作用贡献对CH4/CO2吸附的影响以及CO2/CH4的竞争吸附填充过程；研究不同温度、压力条件下CO2/CH4在无定形褐煤结构中的吸附行为，考察温度、压力对吸附性能的影响；拟合径向分布函数曲线，作CO2/CH4吸附密度分布图，研究CH4、CO2的吸附位，考察管能团对CO2/CH4吸附位的影响；拟合PSD曲线，考察拓扑结构、孔径尺寸对吸附性能的影响；对比分析CO2/CH4单组分和混合竞争吸附的差异，归纳总结影响CH4、CO2的吸附的本质因素，揭示CO2/CH4的竞争吸附机理。
以上所述，仅为本发明的一则实施例而已。并非对本发明作任何形式上的限制；凡熟悉本专业的普通技术人员均可按说明书附图及以上所述步骤而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所阐述的技术内容而做出的些许更改、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实施技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.本发明是基于周期性的密度泛函理论(DFT)、分子动力学模拟(MD)和蒙特卡洛模拟(GCMC)三种理论计算方法，研究了CH4和CO2在褐煤中的单组份以及竞争吸附过程，通过电荷密度分析、分子结构稳定性分析、相互作用能及相互作用方式分析、选择吸附位分析、吸附类型和吸附构型稳定性分析、孔隙特性分析吸附量分析、静电贡献分析、选择性吸附分析、吸附热曲线分析、官能团对吸附位影响分析、温度对吸附的影响分析、压强对吸附的影响分析，研究了温度、压强、拓扑结构、孔径尺寸、静电贡献、官能团影响CH4和CO2吸附的本质因素，进一步结合实验研究文献，归纳总结出一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法，具体实施方式分为以下4步：
(1)无定形褐煤结构模型构建
利用Materials Studio软件构建褐煤分子结构，使用COMPASS力场和Smart Minimizer方法优化分子结构，在此基础上采用正交晶系和周期性边界条件构建无定形褐煤结构；CH4和CO2以及体系表面的非成键作用包括范德瓦尔斯作用和静电相互作用，采用NPT系综进行MD模拟；
(2)第一性原理电荷计算
使用Gaussian 09中计算原子电荷，稳定构型计算涉及到吸附质(褐煤分子)以及吸附剂(CH4、CO2)；采用DFT方法优化分子结构，保证分子的能量达到平衡状态，采用NBO电荷计算褐煤分子结构的分子电子结构、电子密度分布、势能图进一步考察褐煤分子结构的电荷分布情况，分析褐煤分子结构的稳定性；构型优化和能量计算采用DFT，6-31G+(d，p)，WB97XD，NBO基组；
(3)巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟
在Multipurpose Simulation Code中进行GCMC模拟，采用Peng–Robinson方程式来计算模拟压力，采用298K、313K、373K以及0.05-10MPa来模拟地层条件的温度和压强；模拟的迭代次数为1.0×108；用Lennard-Jones(LJ)势函数和库仑力作用来计算CH4-CH4、CH4-孔隙壁、CH4-CO2、CO2-CO2、以CO2-孔隙壁之间的相互作用；原子的LJ参数取自经典普遍力场(UFF)；
4)性质分析
计算CH4/CO2绝对吸附量，拟合Langmuir绝对等温吸附线并拟合Langmuir吸附公式，计算CH4/CO2超额吸附量，拟合Langmuir超额等温吸附线，计算静电作用贡献，计算选择吸附比、吸附热，拟合选择吸附比曲线，考察静电作用贡献对CH4/CO2吸附的影响以及CH4/CO2的吸附填充过程；研究不同温度、压力条件下CH4/CO2在无定形褐煤结构中的吸附行为，考察温度、压力对吸附性能的影响；拟合径向分布函数曲线，作CH4/CO2吸附密度分布图，研究CH4、CO2的吸附位，考察管能团对CH4/CO2吸附位的影响；拟合PSD曲线，考察拓扑结构、孔径尺寸对吸附性能的影响；对比分析单组分和混合竞争吸附的差异，归纳总结影响CH4、CO2的吸附的本质因素，揭示CO2/CH4的竞争吸附机理。
2.根据权利要求1所述的一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法，其中计算软件为MS软件、Multipurpose Simulation Code、Gaussian 09，所用理论为密度泛函理论(DFT)、分子动力学模拟(MD)和蒙特卡洛模拟(GCMC)三种理论。
3.根据权利要求1所述的一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法，其中优化分子结构使用Materials Studio软件中的COMPASS力场和Smart Minimizer方法；采用正交晶系和周期性边界条件构建无定形褐煤结构；CH4和CO2以及体系表面的非成键作用包括范德瓦尔斯作用和静电相互作用，截断半径为采用NPT系综进行MD模拟。
4.根据权利要求1所述的一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法，其中对结构进行计算时，使用Gaussian 09中计算原子电荷，构型优化和能量计算采用DFT，6-31G+(d，p)，WB97XD，NBO基组。
5.根据权利要求1所述的一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法，其中对GCMC模拟时，采用Peng–Robinson方程式来计算模拟压力，模拟的迭代次数为1.0×108；用Lennard-Jones(LJ)势函数和库仑力作用来计算CH4-CH4、CH4-孔隙壁、CH4-CO2、CO2-CO2、以CO2-孔隙壁之间的相互作用；原子的LJ参数取自经典普遍力场(UFF)。
6.根据权利要求1所述的一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法，其中拟合绝对等温吸附线时，曲线拟合为Langmuir型绝对等温吸附线。
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