基于量子化学方法的煤氧吸附特性模拟实验研究

论文摘要

煤是我国重要的能源之一,但是煤在开采和堆放储存的过程中,容易发生自燃。煤体自燃,其实质是煤氧复合、反应放热。因此,研究煤氧吸附特性,有助于深入研究煤氧复合微观反应机理与实质,从而为煤自燃的预测和防治技术的研究奠定理论基础。首先,对灵新矿等地采集的13种煤样进行了红外光谱实验研究。根据红外特征曲线峰值,分析了煤样中活性基团的种类,结合煤化学知识和煤结构中活性基团的研究成果,选取甲基、羧基、醛基、羟基等端位基团作为研究对象,构建煤表面分子简单模型,从微观角度对煤氧复合初期的物理吸附过程进行研究。然后,运用Gauss 03W量子化学分析软件模拟研究了O2在煤分子表面活性基团上的吸附过程,分析和讨论了煤表面活性基团吸附O2过程中的键长变化和能量变化,研究确定了吸附过程中主要活性基团和关键环节,计算采用密度泛函方法DFT-B3LYP,基组选取6-311G。通过模拟研究,总结出煤分子活性基团对氧的吸附活泼性排序,即,甲氧基>醛基>带羟基的亚甲基>甲基>羧基。最后,分析和探讨了CO和H2O两种极性分子,以及CH4、CO2和N2三种非极性分子对煤氧吸附过程的影响,得出:CO和H2O对发生在活性基团上的煤氧吸附过程有影响,通过占位或者吸收周围能量的方式阻碍O2在煤表面活性基团上的吸附。CH4、CO2和N2不能够在活性基团上发生吸附,因而影响很小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 煤自燃机理研究
• 1.2.2 煤吸附特性研究
• 1.2.3 基于量化方法的煤吸附特性研究
• 1.3 研究内容及研究目标
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 研究方案及技术路线
• 1.4 本章小结
• 2 煤分子结构及相关理论
• 2.1 煤分子结构组成
• 2.1.1 边缘基团
• 2.1.2 主体结构
• 2.1.3 结构模型
• 2.2 吸附理论
• 2.2.1 物理吸附的本质
• 2.2.2 吸附模型
• 2.3 分子轨道理论
• 2.3.1 分子轨道
• 2.3.2 杂化轨道
• 2.4 密度泛函理论
• 2.5 本章小结
• 3 煤样红外光谱实验研究
• 3.1 基础实验
• 3.2 红外光谱实验
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 振动形式与红外吸收
• 3.2.3 特征基团频率
• 3.2.4 实验操作
• 3.2.5 结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 4 煤氧吸附模拟研究
• 4.1 量子化学模拟方法
• 4.1.1 基本原理
• 4.1.2 应用
• 4.1.3 Gauss 03W 程序简介
• 4.1.4 可靠性分析
• 4.2 模拟计算
• 4.2.1 建立煤分子模型
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 5 煤氧吸附过程影响因素探讨与分析
• 5.1 芳香环数影响
• 5.2 活性基团之间的影响
• 5.3 其他小分子的影响
• 5.3.1 极性分子的影响
• 5.3.2 非极性分子的影响
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录