多元混合气体在煤表面的竞争吸附分析

分子层吸附 ，Ｌ ａ ｎ ｇ ｍ ｕ ｉ ｒ ￣程是吸附理论 中描述吸附等温线最经典的模型 之一 ， 适用 于描述Ｉ 型等温线。基本假设为固体表面均一 ，每个吸附位 只能吸附～个分子 ，被吸附分子间无相互作用力 ，其表达式 ：
＝
器
㈩
式 中 ：Ｐ 一压力 ， ＭＰ ａ ；Ｖ 一 吸附体积ｉ ｎ ；Ｖ 一单分子 层体积 ， ｍ ， ；ｂ 一纯组分气体的压力常数 ，Ｉ ／ Ｍ Ｐ ａ 。Ｉ 矗 ｎ 肿ｕ ｉ ｒ 婵论适合物理吸附和 化学吸附，是 目 前广泛用于煤层气吸附的状态方程 。
１煤对气体 的吸附机理研究现状 近年来对 于混合气体吸附理论的研究兴趣在增 长 ， 其动机在于利 用平衡理论和数学模 型 ， 基 于单组分气体的等温吸附线获得 的信息来 预测给定温度和压力下混合气 中每一组分 的吸附量。 目 前 国内对这方 面的研究较 少 ，而且主要 集中在液相 吸附平衡 。国外研究人 员对于 临界温度 以下的多组分气 体吸附平衡 理论 已做 了大量 的工 作 ，在假 设 吸附相为饱 和液体 的基 础上 ，从不 同的角度 出发 ，提 出了许多预 测 多组分吸附平衡的模 型和方法 。Ｍ ｏ ｆ ａ ｔ ［ ３ １ 、Ｒ ｕ ｔ ｈ ｖ ｅ ｎ ［ ４ ］ 和Ｙ ａ ｎ ｇ ［ ５ ］ 在各 自的专著 中均对多组分吸附平衡理论作 了简要 的介绍 。Ｓ ｔ ｅ ｖ ｅ ｎ ｓ ｏ ｎ ［ ６ ］ 等 使用干煤样进行 ＴＣ Ｈ 一 Ｎ ２ － Ｃ Ｏ ， 的二 元和三元混合气 体的吸附测试 。 Ｇ ｒ ｅ ａ ｖ ｅ ｓ ［ ７ ］ 等在 研究了混合气 的吸附解吸后 ，发现 吸附和解吸过程 中 压力 与吸附量 的关系存在显著差异 ， 并将这种行为描述为滞后效应 。 唐 书恒等［ ８ ］ 研究 认为煤 中多元 气体吸附 时 ，各组分 间相互 影响为竞 争吸附关 系而且吸附一解 吸应是一种动 态平衡 。王继 和邓存宝 ［ ９ ］ 【 １ ０ ］ ［ １ １ 】 等人应用量 子化 学密度泛 函理论 对矿井采空 区各种混合气体 进行研究 ，，研究得 ｍ煤表面 与各 种气体发 生吸附 的亲 和顺序为 ：
吸附势理论Ｉ ￣ ｔ Ｐ ｏ ｌ ａ ｎ ｙ ｉ 在１ ９ １ ４ 提出与前面提到的两个理论不 同吸附 势理论是建立在热力学基础上的理论Ｐ ｏ ｌ ａ ｎ ｙ ｉ 认为固体的周围存 在吸附 势 场气体分子在势场 中受到吸引力的作用而被吸附。将１ ｍ ｅ ］ 气体从主 体相进入吸 附空间吸附相所作的功定义 为吸 附势如果吸附温度远低于 气体 的临界温度设气体为理想气体吸附相为不可压缩 的饱和液体则吸 附势可表示为 ：
完善将成为未来研究的重要课题之一。
（ １ － ｘ ） ［ １ ＋ — （ ｃ － １ ） ｘ ］ （ ２ ）
式中：Ｖ 一吸附量 ， ｍ ３ ／ ｇ ；Ｖ ｍ 一单分子达到饱和 的吸附量，ｍ ３ ／ ｇ ； ｘ ＝ Ｐ ／ Ｐ Ｐ ，为气体 压力 ，Ｍ Ｐ ａ ；Ｐ ０ 为饱和气体压力 ， Ｍ Ｐ ａ ；ｅ 为与气体吸
２ ． ２多 分子层 吸附模 型
Ｂ ｒ ｕ ｎ ｎ ｕ ｅ ｒ 、 Ｅ ｍ ｍ ｅ ｎ ｔ 、Ｔ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ 三人于１ ９ ３ ８ 年在单分子层吸附理论 的基 础上提出了多分子层 吸附理论模型 ， 是Ｌ ａ ｎ ｇ ｍ ｕ ｉ ｒ ｔ － ￣ 分子层吸附理论的扩 展 ，用于描述多分子层 吸附。该模型假设Ｌ ａ ｎ ｇ ｒ ｎ ｕ ｉ ｒ ￣ Ｔ 程可应用 于第一 层 吸附，而第二层 以上是靠气体分子 间的范德华力吸附。吸附是多层 的，层是不连续 的 ， 称为Ｂ ． Ｅ ． Ｔ 吸附 ， 适用 于描述Ｉ Ｉ 型等温线 ，Ｂ ． Ｅ ． Ｔ 方
附热和凝结有关的常数。
２ ． ３ 吸附势 理论
２ 爆表面对多种气体吸附横型 目前 ，吸附领域针对不 同的吸附 系统和基于不同的假设 ， 研究者 提出了许多等温吸附理论 模型。如Ｌ ａ ｎ ｇ ｍ ｕ ｉ ｒ 单分 子层定位 吸附模 型 、 Ｂ Ｅ Ｔ 多分子层吸附模型 、基于吸附势理论的各类 等温吸附模 型以及 毛 细管填充理论等在煤的吸附研究中都有一定的应用曲线 ，是对吸附现象 以及 吸附剂表面结构进 行研究 的基础数 。Ｉ Ｕ Ｐ Ａ Ｃ 将吸附等温线分为六种类型［ １ ３ ］ ：
科学技术
多元混合气体在 煤表面 的竞争 吸附分析
李 明 ，刘 贵生 ，何 团
（ １ ． 辽 宁工程 技术 大 学 辽 宁 阜 新 １ ２ ３ ０ ０ ０ ；２ ． 阜 新矿 业 （ 集 团 ）有 限责任 公 司 辽 宁 阜 新 １ ２ ３ ０ ０ ０） 摘 要 ：煤 的 吸 附与煤 的氧 化 风化 、燃 烧 与 自燃 、矿 井 瓦斯含 量等 有 直接 关 系 ，而在 工业 实践 中气体 分 离和 净化 所 处理 的对 象又都 是混 合物 ， 多 组分 气体 吸 附平衡 理论 成 为吸 附领 域 内的 一 个重 点研 究课 题 。针 对我 国煤 矿 自燃 发严 重 以及 与煤 吸 附 多元混合 气体 相关 实验 缺 乏的 问题 ，本 文从 吸 附 数 学模 型 、吸 附影 响 因素 对 多元 气体在 煤表 面的竞 争 吸 附进 行 总 结分 析 ，找 出 当前我 国煤 吸 附理 论研 究和 技 术应 用 中存在 的 问题 和 不足 ，对 煤吸 附研 究的发 展 趋势 和 需要 解决 的 问题 作 进 一步 的探 讨 。 关 键词 ：煤 ；混合 气体 ；吸 附机 理 ；吸 附模 型
程：
Ｖ
—
ｃ ｘ
０ ２ ＞ Ｈ ２ Ｏ ＞ Ｃ ０ ２ ＞ Ｎ ２ ＞ Ｃ Ｏ ＞ Ｃ Ｈ ４ 。
现在普遍认为多元气体 吸附时 ，每种气体不是独立吸附的 ，之间 存在着吸附位的竞争 。而煤 的吸附研究现集 中在对气体分子￣ １ １ Ｃ Ｈ ４ 、 Ｃ Ｏ … Ｎ 、Ｏ ， 和重金 属离子上 ， 对单组分和多组分气体的吸附建立 了 不 同的模 型 ， 这些模型 尚不能完全模 拟煤对气体 的吸附过程 ，对其进行