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，本研究探讨了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。研究者使用高精度智能重量吸附仪，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深入分析。在热力学分析中，亨利常数作为衡量气体在固体表面吸附能力的重要参数，具有重要意义。根据亨利定律，在低浓度范围内，气体的吸附量与其分压成正比，而亨利常数则与该比例系数相对应。研究结果表明，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。这对于理解煤层中两种气体的竞争吸附行为具有重要参考价值。

温度对吸附过程的影响也是研究的关键点。研究显示，温度升高会导致亨利常数减小，从而降低气体与煤基质之间的相互作用。这种现象可从热力学角度解释：温度升高通常会导致分子运动加剧，进而减弱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）和表面势能是描述吸附过程自发性及强度的重要热力学量。本研究中，甲烷的负值吉布斯自由能变和表面势能均大于二氧化碳，表明甲烷在无烟煤基质表面的吸附更容易。而随着压力的增加，吉布斯自由能变和表面势能的负值减小，这进一步说明高压环境更有利于气体分子的吸附。

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等量吸附热和熵变是吸附过程中的两个关键热力学参数，它们反映了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，而甲烷则呈现降低趋势。这表明，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，吸附过程需要更多的能量，且系统趋向于更加无序。而甲烷的能量需求逐渐降低，系统的无序度也随之减少。基于这些发现，本研究还揭示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的相互作用相关。