第29卷第4期1998年7月太原理工大学学报JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.29No.4July1998煤吸附瓦斯的本质聂百胜①段三明(采矿与土木工程系)摘要利用煤大分子结构研究的最新成果,根据分子热力学和表面物理化学的理论,对矿井瓦斯气体在煤表面的吸附本质进行了分析,并对主要瓦斯气体与煤表面的相互作用力进行了估算,结果与实测的吸附热数据基本一致。关键词吸附瓦斯;吸附本质;吸附势垒;O647131TD71212吸附热在自然煤体中存在着大量的孔隙裂隙,小到分子、原子尺度的缺陷,大到肉眼看得见的宏观裂缝,从而形成纵横交错的网络结构。在这种复杂的网络中或多或少地含有瓦斯气体,一般认为以游离态和吸附态两种方式存在。前者服从自由气体状态方程,后者主要附着在煤的孔隙表面上,其状态服从朗格缪尔方程。从宏观上看,影响瓦斯吸附的主要因素有压力、温度、煤的变质程度、煤中的水分,以及气体的种类等;从微观上看,煤吸附瓦斯主要是煤的大分子结构和瓦斯气体分子之间相互作用的结果。宏观影响已经研究得很多,微观方面却很少。文煤大分子结构煤是由多种性质不同的显微组分所构成,显微组分的不同组合造成了不同煤在组成结构与性质上的不同与异常复杂性。但煤是一种大分子已成为煤化学家的共识。通常认为3煤大分子是由周边连结有多种原子基团的缩聚芳香稠环、氢化芳香稠环(统称为芳香核或基本结构单元)通过各种桥键,如1次甲基键(-CH2-,-CH2-CH2-,-CH2-CH2-CH2-等)、氧键(-(-S-,-S-S-,-O-,-CH2-O-等),硫键CH2-S-等)等连结而成,在献1认为,影响瓦斯吸附的主要因素是煤—瓦斯其大分子间和分子内有大量交联键(包括化学交联键和物理交联键),所以煤大分子呈三维交联网络。在交联网络中包藏了许多小分子化合物,与煤大分子间的联络形式是EDA键(ElectronicDonorAc2cepterBonds)。煤大分子三维化学交联网络模型的基本结构单元是芳香核,其基本组成是苯环;煤大分子的桥键和交联键合是煤有机大分子的第二级结构成分;周边原子基团是其第三级结构组分。在煤的有机结构中还含有O,N,S杂质原子,形成各种官能团。煤大分子的原子基团中有许多是极性的,对煤大分子间的作用及其对瓦斯气体的吸附都有重要的影响,也使得煤对瓦斯有很大的吸附能力。系统的温度和煤孔隙表面由分子间力构成的势阱的深浅;文献2认为,瓦斯在较大压力下,能够楔开或进入到与瓦斯气体尺度相当的微裂隙,并以固溶体的形式存在而不易脱附;不同气体的吸附性不同,除与该种气体分子和固体间的作用力不同有关外,还与该种气体分子的热运动剧烈程度有关。目前利用电磁理论研究矿井瓦斯问题有了很大的进展,这就需要更深地研究瓦斯吸附的本质。本文将在前人研究的基础上,利用煤大分子结构研究的最新进展及分子热力学和表面物理化学理论,在微观领域探讨煤吸附瓦斯的本质。①男,1973年5月生,硕士生,太原理工大学采矿与土木工程系,030024文稿收到日期:1998204204瓦斯气体分子形成诱导偶极矩。煤的大分子和瓦斯气体分子之间存在着德拜诱导力,通常计算固有偶极矩的平均诱导作用能的德拜公式为:煤对矿井瓦斯气体的吸附力固体对气体的吸附从本质上说是由固体表面的原子或离子与气体分子之间的相互作用力引起的,最终表现为固体表面分子与气体分子间电引力的作用。根据分子热力学4和表面物理化学5,6的知识,这些作用力分为两大类:物理作用力和化学作用力,分别引起物理吸附和化学吸附。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附。引起物理吸附的力是范德华(VanDerWaals)力,它包括静电作用力(又称取向力,Keesom2ΑcΛ2+ΑgΛgcED1=-.(3)6r式中ED1——德拜诱导力;Αc——煤分子的极化率;Αg——瓦斯气体分子的极化率。固有四极矩也产生电场,对具有四极矩的瓦斯气体分子的吸引能ED2为:3ΑgQ2+ΑcQ2力)、德拜诱导力、伦敦色散力(Debye)(Londoncg(4)ED2=-213伦敦色散力.82rdispersionforce)。211静电作用力极性气体分子(H2O,CO)具有永久偶极矩,与煤表面的极性基团会产生静电作用力,其表达式为:色散力是任何分子间都存在的作用力,它是诱导偶极矩之间相互作用而产生的,是靠相邻分子的电子密度的涨落而引起的。London运用量子力学得出当间距较大时两个球形分子之间由色散力产生的位能EL为:...