頁巖氣的吸附特性主要依賴于甲烷分子在納米孔隙中的吸附行為。本文運(yùn)用巨正則蒙特卡洛法(GCMC)分析甲烷分子在石英、蒙脫石、有機(jī)質(zhì)納米孔中的吸附行為,研究氣體壓強(qiáng)、環(huán)境溫度、孔徑對甲烷吸附性能的影響規(guī)律。分子模擬結(jié)果表明:甲烷分子在有機(jī)質(zhì)納米孔中的吸附量明顯大于在蒙脫石和石英納米孔中的吸附量。在孔壁附近0.5nm范圍內(nèi),甲烷分子近似平行于孔壁分布;而在遠(yuǎn)離孔壁面,甲烷分子的分布比較分散。三種納米孔中吸附氣所占比例在46.56%～82.20%之間。在相同溫度和壓強(qiáng)下,甲烷吸附量隨著孔徑的增大而線性增加;在相同溫度和孔徑下,甲烷吸附量隨著壓強(qiáng)的增大而增大,二者之間的物理關(guān)系可以近似采用冪函數(shù)進(jìn)行描述,甲烷分子的吸附比例隨著壓強(qiáng)的增大而近似于線性減小;在相同壓強(qiáng)和孔徑下,甲烷吸附量隨著溫度的升高而線性降低。 

【文章來源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào). 2020年03期 北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

蒙脫石納米孔構(gòu)型Fig.1Montmorillonitenanoporestructure

其中黏土礦物的一種重要成分為蒙脫石；而有機(jī)質(zhì)的主要成分為碳、氫、氧元素，由于其分子結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，文獻(xiàn)中一般采用片層狀的石墨烯構(gòu)型來近似代替。為了體現(xiàn)有機(jī)質(zhì)分子中H、O元素對甲烷分子的作用，本文采用C5H4O2分子構(gòu)型來近似描述有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)。頁巖氣主要貯存于納米孔隙中，本文將納米孔簡化為狹縫形的蒙脫石、石英、有機(jī)質(zhì)納米孔，蒙脫石納米孔由兩層Na0.33Al2[Si4O10](OH)2nH2O分子構(gòu)成(如圖1所示)，石英納米孔由三層SiO2分子構(gòu)成(如圖2所示)，有機(jī)質(zhì)納米孔由三層C5H4O2原子構(gòu)成(如圖3所示)。在建模過程中，首先分別利用蒙脫石、石英、有機(jī)質(zhì)的晶胞結(jié)構(gòu)在xy方向上建立4.644nm4.53nm、4.91nm4.91nm、4.28nm4.28nm的超晶胞結(jié)構(gòu)，再分別將三種超晶胞結(jié)構(gòu)沿z方向拓展以構(gòu)建不同孔徑的納米孔結(jié)構(gòu)。每個(gè)晶胞為六面體結(jié)構(gòu)，選取一個(gè)頂點(diǎn)，通過該頂點(diǎn)的三條邊長分別記為a、b、c，三條邊的夾角分別記為、、γ，則a、b、c、、、γ構(gòu)成一組晶胞參數(shù)。蒙脫石的晶胞參數(shù)為a=0.523nm、b=0.906nm、c=1.25nm、=γ=90°90°、=99°；石英的晶胞參數(shù)為a=b=0.491nm、c=0.540nm、==90°、γ=120°；有機(jī)質(zhì)晶胞參數(shù)為a=b=0.357nm、c=0.540nm、==γ=90°。圖1蒙脫石納米孔構(gòu)型Fig.1Montmorillonitenanoporestructure圖2石英納米孔構(gòu)型Fig.2Quartznanoporestructure圖3有機(jī)質(zhì)納米孔構(gòu)型Fig.3Organicmatternanoporestructure模型構(gòu)建完成后，利用分子動力學(xué)方法對蒙脫石、石英、有機(jī)質(zhì)納

?淄?分子密度在距孔壁不同范圍內(nèi)波動較大。圖5(a)石英納米孔(quartznanopore)圖5(b)蒙脫石納米孔(montmorillonitenanopore)圖5(c)有機(jī)質(zhì)納米孔(organicmatternanopore)圖5納米孔隙中甲烷在孔徑方向的密度分布曲線Fig.5Densitydistributioncurveofmethaneintheporewidthdirectioninnanopores根據(jù)不同壓強(qiáng)下甲烷分子在納米孔中的密度分布曲線，可以求得吸附態(tài)和游離態(tài)甲烷分子的吸附量，進(jìn)而得出甲烷分子的吸附比例(即吸附態(tài)甲烷分子數(shù)占納米孔內(nèi)甲烷分子總數(shù)的百分比)。圖6給出了石英納米孔、蒙脫石納米孔、有機(jī)質(zhì)納米孔中甲烷吸附比例隨壓強(qiáng)的變化曲線。由圖可知：三種納米孔中甲烷的吸附比例在46.56%~82.20%之間，并且甲烷的吸附比例都隨著壓強(qiáng)的增大而近似于線性減小；甲烷在蒙脫石納米孔中的吸附比例約為在有機(jī)質(zhì)納米孔中的1.06倍，約為在石英納米孔中的1.25倍。圖6甲烷吸附比例隨壓強(qiáng)變化的曲線Fig.6Curveofmethaneadsorptionproportionasafunctionofpressure

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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