无烟煤基质表面CO2和CH4的吸附热力学分析 论文

以四川煤田的无烟煤为研究对象，主要探讨了CO2（二氧化碳）和CH4（甲烷）气体在该种煤基质表面的吸附热力学特性。通过使用高精度智能重量吸附仪，研究者在288K、308K、328K三个不同的温度条件下，测定了这两种气体的吸附等温线，并对吸附过程进行了分析。在热力学分析中，亨利常数是衡量气体在固体表面吸附能力的重要参数。亨利定律表明，在低浓度范围内，气体的吸附量与其分压成正比，亨利常数则与该比例系数相对应。较低的亨利常数意味着气体更容易吸附于固体表面。

研究结果指出，在所考察的温度范围内，甲烷的亨利常数低于二氧化碳，表明在无烟煤基质表面，甲烷的吸附亲和力弱于二氧化碳。这一发现对于了解煤层中两种气体的竞争吸附行为具有重要意义。温度对吸附过程的影响也是一个关键点。研究结果表明，温度升高会导致亨利常数减小，进而降低气体与煤基质之间的相互作用。这一现象可以从热力学的角度解释：温度升高通常会导致分子运动加剧，从而降低气体分子与吸附位点之间的相互作用力。吉布斯自由能变（ΔG）和表面势能（也称为吸附势）是描述吸附过程自发性及强度的热力学量。本研究中，甲烷的负值吉布斯自由能变和表面势能大于二氧化碳，表明甲烷在无烟煤基质表面的吸附更容易。

值得注意的是，随着压力的增加，吉布斯自由能变和表面势能的负值减小，这说明高压环境更有利于气体分子的吸附。等量吸附热和熵变是吸附过程中的两个热力学参数，它们可以反映出吸附热的强弱和吸附后系统无序度的变化。研究发现，随着吸附量的增加，二氧化碳的等量吸附热和熵变呈现增加趋势，而甲烷的等量吸附热和熵变则呈现降低趋势。这一结果表明，随着吸附量的增加，二氧化碳在无烟煤基质表面的吸附热变大，说明了吸附过程需要更多的能量，且整个体系趋向于更加无序。相反，甲烷在吸附过程中的能量需求逐渐降低，并且体系的无序度也有所降低。

通过研究，还发现了二氧化碳在无烟煤基质表面的吸附自发性更高，而甲烷的等量吸附热和熵变均小于二氧化碳。这些差异可能与两种气体的分子结构、极性、以及与吸附位点相互作用的差异有关。

对于无烟煤这种矿产资源而言，了解其中所含气体的吸附特性，对于煤层气的提取和利用具有重要的实际意义。一方面，可以通过控制温度和压力，增强对目标气体的选择性吸附，以提高煤层气的提取效率。另一方面，根据吸附热力学分析结果，可以为煤层气资源的开采和利用提供理论支持，这对于能源开发和环境保护都具有深远的影响。