[发明专利]一种分析CO2/CH4在褐煤中吸附机理的方法

权利要求书

1.一种分析CO₂/CH₄在褐煤中吸附机理的方法，该方法是基于周期性的密度泛函理论(DFT)、分子动力学模拟(MD)和巨正则蒙特卡洛模拟(GCMC)三种理论计算方法，研究了CH₄和CO₂在褐煤中的单组份以及竞争吸附过程，通过电荷密度分析、分子结构稳定性分析、相互作用能及相互作用方式分析、选择吸附位分析、吸附类型和吸附构型稳定性分析、孔隙特性分析吸附量分析、静电贡献分析、选择性吸附分析、吸附热曲线分析、官能团对吸附位影响分析、温度对吸附的影响分析、压强对吸附的影响分析，研究了温度、压强、拓扑结构、孔径尺寸、静电贡献、官能团影响CH₄和CO₂吸附的本质因素，进一步结合实验研究文献，具体实施方式分为以下4步：

(1)无定形褐煤结构模型构建

利用Materials Studio软件构建褐煤分子结构，使用COMPASS力场和Smart Minimizer方法优化分子结构，在此基础上采用正交晶系和周期性边界条件构建无定形褐煤结构；CH₄和CO₂以及体系表面的非成键作用包括范德瓦尔斯作用和静电相互作用，采用NPT方法进行MD模拟；截断半径为

(2)第一性原理电荷计算

使用Gaussian 09中计算原子电荷，稳定构型计算涉及到吸附质褐煤分子以及吸附剂CH₄、CO₂；采用DFT方法优化分子结构，保证分子的能量达到平衡状态，采用NBO电荷计算褐煤分子结构的分子电子结构、电子密度分布、势能图进一步考察褐煤分子结构的电荷分布情况，分析褐煤分子结构的稳定性；构型优化和能量计算采用DFT，6-31G+(d，p)，WB97XD，NBO基组；

(3)巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟

在Multipurpose Simulation Code中进行GCMC模拟，采用Peng–Robinson方程式来计算模拟压力，采用298K、313K、373K以及0.05-10MPa来模拟地层条件的温度和压强；模拟的迭代次数为1.0×10⁸；用Lennard-Jones(LJ)势函数和库仑力作用来计算CH₄-CH₄、CH₄-孔隙壁、CH₄-CO₂、CO₂-CO₂、以CO₂-孔隙壁之间的相互作用；原子的LJ参数取自经典普遍力场(UFF)；

4)性质分析

计算CH₄/CO₂绝对吸附量，拟合Langmuir绝对等温吸附线并拟合Langmuir吸附公式，计算CH₄/CO₂超额吸附量，拟合Langmuir超额等温吸附线，计算静电作用贡献，计算选择吸附比、吸附热，拟合选择吸附比曲线，考察静电作用贡献对CH₄/CO₂吸附的影响以及CH₄/CO₂的吸附填充过程；研究不同温度、压力条件下CH₄/CO₂在无定形褐煤结构中的吸附行为，考察温度、压力对吸附性能的影响；拟合径向分布函数曲线，作CH₄/CO₂吸附密度分布图，研究CH₄、CO₂的吸附位，考察管能团对CH₄/CO₂吸附位的影响；拟合PSD曲线，考察拓扑结构、孔径尺寸对吸附性能的影响；对比分析单组分和混合竞争吸附的差异，归纳总结影响CH₄、CO₂的吸附的本质因素，揭示CO₂/CH₄的竞争吸附机理。