超临界CO2对无烟煤微观结构及吸附性能的影响Impact of Supercritical CO2 on Structural Evolution and Adsorption Properties of Anthracite
刘振建,都喜东,钟春林,蒲超
摘要(Abstract)：
为厘清深部煤层封存CO_2进程中，煤岩微观结构及吸附性能的响应规律，选取高变质程度无烟煤，基于自主设计的恒温恒压装置开展超临界CO_2(SC-CO_2）与煤岩反应试验，采用低压N_2/CO_2吸附和红外光谱法对比分析反应前后煤样的孔隙结构及表面化学性质，结合高压等温吸附试验，获得反应前后煤对CO_2/CH_4的吸附选择性及相关热力学参数，探讨了SC-CO_2对无烟煤微观结构及吸附性能的作用机理。结果表明，SC-CO_2反应后无烟煤在1.5～100 nm范围比表面积及孔容降低，而在0.5～1 nm范围比表面积及孔容增加，在0.63 nm和0.86 nm左右出现新的孔隙；SC-CO_2萃取了无烟煤基质中小分子化合物和脂肪烃，导致表面官能团的数量和密度减少；SC-CO_2反应后CO_2和CH_4单分子层饱和吸附量降低，煤对CO_2/CH_4的吸附选择性增加，表面势能和吉布斯自由能变的绝对值均显著增加，煤基质表面的活性位点增多，吸附自发性增强。研究成果可为CO_2-ECBM工程实施提供新的科学依据。
关键词(KeyWords)： 超临界CO_2;无烟煤;微观结构;选择性吸附;吸附热力学
基金项目(Foundation): 云南省基础研究计划项目（202101BE070001-039）
作者(Author): 刘振建,都喜东,钟春林,蒲超
参考文献(References)：
- [1]张春杰，申建，秦勇，等.注CO2提高煤层气采收率及CO2封存技术[J].煤炭科学技术，2016,44(6):205-210.
- [2]姜仁霞，于洪观.深部煤层碳封存研究进展和面临的关键科技问题[J].中国煤炭地质，2024,36(9):9-14.
- [3]BUSCH A,GENSTERBLUM Y.CBM and CO2-ECBM related sorption processes in coal:A review[J].International Journal of Coal Geology,2011,87(2):49-71.
- [4]桑树勋，刘世奇，王文峰.深部煤层CO2地质存储与煤层气强化开发有效性理论及评价[M].北京：科学出版社，2020:8-18.
- [5]梁卫国，贺伟，阎纪伟.超临界CO2致煤岩力学特性弱化与破裂机理[J].煤炭学报，2022,47(7):2557-2568.
- [6]王文伟，王开，张小强，等.超临界CO2作用下不同煤厚煤岩体破裂过程声发射特性研究[J].矿业研究与开发，2022,42(12):120-126.
- [7]王观宏，冯睿智，茹忠亮.无烟煤超临界甲烷吸附模型的适用性研究[J].中国煤炭地质，2024,36(7):8-17.
- [8]王帅峰，韩思杰，桑树勋，等.煤层亚临界/超临界CO2吸附特征与封存模式[J].天然气工业，2024,44(6):152-168.
- [9]杨君文，赵晓慧，郑斌.构造煤孔隙结构及甲烷吸附性能分子模拟研究[J].中国煤炭地质，2024,36(4):8-12.
- [10]MASTALERZ M,DROBNIAK A,WALKER R,et al.Coal lithotypes before and after saturation with CO2:insights from microand mesoporosity,fluidity,and functional group distribution[J].International Journal of Coal Geology,2010,83(4):467-474.
- [11]GATHITU B B,CHEN W Y,MCCLURE M.Effects of coal interaction with super-critical CO2:physical structure[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2009,48(10):5024-5034.
- [12]王建美，梁卫国，牛栋，等.超临界CO2作用下无烟煤结构响应特征及高压吸附机理[J].天然气工业，2024,44(4):115-125.
- [13]张小东，张瑜，张硕，等.超临界CO2对高阶构造煤微观结构的影响机制[J].煤田地质与勘探，2023,51(5):45-53.
- [14]王倩倩，张登峰，王浩浩，等.封存过程中二氧化碳对煤体理化性质的作用规律[J].化工进展，2015,34(1):258-265.
- [15]李伍，杨文斌，战星羽，等.煤有机大分子碳结构石墨化机制[J].煤炭学报，2023,48(2):855-868.
- [16]武腾飞，都喜东，郝宇，等.无烟煤基质表面CO2和CH4的吸附热力学分析[J].煤矿安全，2020,51(7):189-194,199.
- [17]李祥春，张梦婷，李忠备，等.气体吸附过程中煤比表面Gibbs函数变化规律[J].煤炭学报，2019,44(2):509-519.