水蒸气在褐煤孔隙中的吸附行为:试验研究与分子动力学模拟

深入理解水在褐煤上的吸附是褐煤干燥提质技术的理论基础之一。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和低温氮吸附/脱附试验分析了褐煤的含氧官能团和孔隙结构,利用水蒸气吸附/脱附试验和分子动力学(MD)模拟探究了水蒸气在褐煤孔隙中的吸附行为。研究结果表明:褐煤样品丰富的含氧官能团和较多的微孔、中孔(孔径约2nm),为水蒸气提供了吸附位点和吸附场所。水蒸气在煤样上的吸附过程可分为3个阶段。第1阶段,相对蒸气压(P/P0)<0.21,水分子直接吸附于含氧官能团上,此时的吸附速度最大;第2阶段(P/P0=0.21~<0.71),水分子与已吸附的水分子相互作用,促使水团簇逐渐生长;第3阶段(P/P0≥0.71),水团簇填充孔隙,并发生毛细凝聚,此时的吸附速度略大于第2阶段。根据Dent模型对水蒸气吸附等温线的拟合结果,吸附类型属于多级吸附,包括初级吸附(第1阶段)和次级吸附(第2、3阶段)。初级吸附能(-48.77kJ/mol)显著大于水的液化热(EL=-43.99kJ/mol),而次级吸附能(-42.28kJ/mol)略小于EL,表明吸附于褐煤的水呈液态。水蒸气脱附过程存在明显的脱附迟滞现象,表明水蒸气吸附稳定,较难去除,其中高压迟滞发生在P/P0≈0.4~0.9,主要由毛细凝聚和“墨水瓶”效应引起;而低压迟滞发生在P/P0<0.4,由水分子与含氧官能团间强相互作用引起。MD模拟结果与水蒸气吸附/脱附等温线分析结果一致,水分子优先吸附在孔隙中,与孔隙壁的含氧官能团形成氢键,且其扩散系数(2.98×10-5cm2/s)与液态水的分子扩散系数相近。

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