力学所基于空间群和统计力学在页岩气脱附/驱替研究中获进展

  页岩气的主要成分CH4所属点群为具有24阶的Td={E,3C2,8C3,6S4,6σd} 群,其中包括3个两重轴C24个三重轴C3可作8个C3对称操作,绕立方体3个轴旋转π/23π/2接着做水平面镜像,共6个对称操作6S4,对立方体对立面的对角线形成的截面做镜像6个对称操作6σd。对于CH4在均质基底上吸附的对称性由于C2,C3均为Td的子群为了使吸附计算尽量保持高对称性吸附后最高阶群为C3具有三重对称性,其吸附为自发对称性破缺过程,而脱附作为逆过程使系统对称性恢复。 

  近期,中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室赵亚溥团队在课题组开辟的深地物理力学研究方向上,基于分子吸附/脱附过程中空间群的变化厘清了页岩气驱替过程中的分子空间构型变化。基于统计力学,研究人员从页岩气和多种驱替介质(CO2, N2, H2O)对应的平动、转动配分函数分析出发,结合分子空间构型变化,得到了不同驱替介质驱替页岩气过程中的熵变。进一步结合分子动力学模拟获得相应驱替过程的焓变,由Gibbs自由能变化确定了不同介质驱替页岩气的自发性。研究发现,CO2N2驱替CH4过程可自发进行,其中CO2驱替为焓、熵双驱动,N2驱替为熵驱动,而H2O驱替过程不是自发的。

  该研究厘清了页岩气驱替过程中自发、放热和熵增的微观机制,为超临界流体驱替页岩气提供了理论指导。相关研究成果以Entropy and enthalpy changes during adsorption and displacement of shale gas为题,发表在Energy。研究工作得到国家自然科学基金重点项目、中科院前沿重点研究计划等的支持。 

  论文链接 

页岩气的吸附与驱替及空间自由度 

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