不同镜惰比低阶煤的结构特征及其热解行为

热解是煤液化、气化等洁净煤技术的基础,尤其是对于低阶煤的利用上。为进一步研究低阶煤的热解特征,以一系列不同镜惰比赵家庄(ZJZ)、马蹄罕(MTH)、豆塔(DT)煤(V/I分别为0.1、0.76、1.76)为研究对象,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)与X射线衍射(XRD)技术分析样品的化学结构;通过热重−质谱(TG-MS)联用技术,检查了样品在30~900℃的热解过程及其气体逸出行为。结果表明:不同镜惰比低阶煤中的化学结构含量有较大差异,与富惰质组ZJZ煤相比,富镜质组煤有着相对丰富的脂肪族结构,长脂肪侧链,以及含氧官能团,尤其DT煤中含有丰富的C-O。相应的芳香结构含量随着镜惰比增加而减少。同时,随着煤中镜惰比增加,芳香层片间距d_(002)、横向延展度与纵向堆砌高度之比(L_(a)/L_(c))增大,芳香层堆砌高度L_(c)、芳香层尺寸L_(a)以及堆砌层数N减小。DT、MTH、ZJZ煤在热解中失重量依次为36.4%、32.2%、28.9%,随着镜惰比降低,最终热解气态产物产率以及最大热解速率相应降低。在热解过程中有H_(2)、H_(2)O、CH_(4)、CO、CO_(2)等小分子物质释放;此外,释放气体含量与显微组分息息相关,富惰质组煤产生的小分子物质量少于镜质组较多的煤。由于镜质组中含有较多的脂肪侧链结构,芳香层之间的缩聚能力较强,热分解过程中容易形成自由基再结合生成气体。

不同镜惰比低阶煤燃烧特性及动力学分析

为解释显微组分对低阶煤燃烧特性的影响,以一系列不同镜惰比低阶煤为研究对象,利用热重−质谱−差热(TG-MS-DTA)联用技术,研究了样品在空气气氛下的燃烧特性、热量变化过程以及气体逸出行为。结果表明:煤的显微组分含量对煤燃烧达到最大反应速率时的温度影响不大,但对反应最大速率的大小有影响,富惰质组煤燃烧的反应最大速率更大。同时,煤中较多矿物使得反应达到最大速率时温度更高。燃烧过程呈现出明显的两个阶段,第一阶段(400℃之前)缓慢放热,对应脱挥发分过程,第二阶段(400℃之后)快速放热,对应固定碳燃烧过程,燃烧放热特征呈现出缓慢到快速放热的转变。不同镜惰比煤在燃烧过程中主要释放CO_(2)、CO、H2O等气体,但释放的相对含量不同,脱挥发分阶段,有较少的CO_(2)、CO气体释放,H2O的释放相对量较多。而在固定碳燃烧阶段,CO_(2)大量释放,CO释放量略低,H2O最少。其中,富惰质组煤在燃烧过程中释放相对更多的CO_(2),在相同条件下,燃烧更加充分。此外,还借助Coats-Redfern积分法对煤燃烧过程进行动力学计算,得到随着镜惰比含量减小,反应活化能增加的趋势,但这并不影响富惰质组煤在固定碳燃烧阶段能快速燃烧的特性,这可能是由于惰质组中大量丝质体形成的细胞胞腔结构,增大了与O_(2)的接触面积,燃烧反应充分。

煤基石墨烯量子点的制备与理化性质研究进展

石墨烯量子点(GQDs)显著的量子限域效应和边缘效应已经引起人们极大的研究兴趣。它不仅展现出稳定的光致发光现象,而且具有良好的溶解性和化学惰性等诸多优点,使其广泛应用于生物成像、光催化剂和传感器等领域。受限于传统制备方法原料昂贵和操作繁琐等原因,GQDs的工业发展受到严重阻碍。煤及其衍生物不仅具有价格低廉和储量丰富等优点,而且其内部固有的无序结构和小晶域显示出比石墨、石墨烯、氧化石墨烯和富勒烯等碳材料制备GQDs更大的优势,可以简单地通过物理、化学或电化学方法剥离煤及其衍生物内部的芳香环簇来制备GQDs。本文首先总结了煤基石墨烯量子点(C-GQDs)的“自上而下”合成方法及其优缺点。然后对C-GQDs的结构形态、化学成分、荧光性质及其影响因素进行分析。进而阐述C-GQDs在传感器、生物成像和能源领域等的应用进展。最后从制备方法、碳源选择和研究方向等方面对C-GQDs的未来发展进行探讨,提出以下几点试验方案:①H_(2)O_(2)为氧化剂,热变煤为碳源的试验;②超高有机硫煤为碳源,除硫酸和硝酸氧化法外的其他试验;③煤显微组分为碳源的试验。此外,通过试验得出的基础数据和计算机模拟技术相结合,解决当前研究存在的荧光颜色单一和量子产率较低等问题。从而达到煤炭资源清洁利用和GQDs绿色发展的目的。

热接触变质煤制备石墨烯:化学结构演化

作为具有优异性能的碳材料,石墨烯应用前景广阔。我国煤炭资源储量丰富,以煤为原料,探讨制备石墨烯的研究需不断深化。受岩浆影响的热接触变质煤具有高碳含量、高芳香度等特点,但其制备石墨烯的可行性值得研究。以淮北煤田朔里煤矿5号煤层为研究对象,采集3个靠近岩浆侵入体的热接触变质煤为原料。煤基石墨烯的制备采用改进Hummers法,原煤经石墨化后,通过氧化、超声剥离、还原成石墨烯。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱和X射线衍射对煤基石墨、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯逐一进行分析。结果表明:3个样品制得的煤基石墨的(002)晶面间距均为0.3381 nm。氧化石墨烯的分子结构中含有羧基、羟基和环氧基,在还原后这些官能团脱落并形成了还原氧化石墨烯结构中的缺陷。煤基石墨和还原氧化石墨烯的红外光谱都出现了羟基的特征吸收峰,区别在于煤基石墨中的羟基为石墨化过程中所残留的,而还原氧化石墨烯中的羟基则是氧化石墨烯未彻底还原所残留的。拉曼光谱分析的结果表明氧化石墨烯在还原后ID/IG(D峰与G峰强度比)>1,为还原过程中石墨烯片层表面的环氧基脱落形成的面缺陷所导致。由朔里热接触变质煤所制备出的还原氧化石墨烯的平均层数分别为4.29、3.97和4.31,均属少层石墨烯,热接触变质煤可作为制备石墨烯的原料。

煤石墨化:结构和差异性演化

石墨作为战略性非金属矿产对我国的发展极为重要。然而我国的石墨矿产资源量有限,以煤为碳源制备石墨逐渐成为了当下乃至未来重要的发展趋势。在煤的石墨化过程中,伴随着杂原子的脱出,芳香层片逐渐拼叠,朝定向化发展,结构演化显示出了“渐变”与“突变”的特征,而这与煤大分子结构演化紧密相关。由于煤本身的非均质性,如显微组分差异、聚集态结构差异和分子结构差异,因而在石墨化过程中会产生不同的碳类型产物,使得对煤向石墨演变过程的研究充满了挑战。通过分析煤石墨化理论(包括微晶生长理论、乱层结构理论模型、易石墨化炭和难石墨化炭分类及多缺陷统计理论等),指出煤石墨化过程中,除了不断形成石墨微晶,还伴随着结构缺陷的不断修复过程。通过研究煤在石墨化过程中的结构演化,阐明了煤石墨化过程具有渐变性、突变性特征。系统探讨了煤显微组分、煤颗粒内外部、煤中不同聚集态结构对于煤石墨化的差异化作用,镜质体比惰质体更容易石墨化,指出不同显微组分石墨化差异性与其本身分子结构差异有关;煤颗粒受热后,颗粒边缘更容易定向,朝石墨化发展;易石墨化炭和难石墨化炭的差异体现在纳米结构上,难石墨化炭中曲率的存在抑制煤石墨化。最后,结合对石墨化后产物中不同碳类型分类分析,指出未来煤石墨化研究的重点和方向。

两淮地区燃煤电厂砷、汞、氟、铍和铀的大气排放清单的研究

安徽两淮地区(淮南和淮北)为华东地区最重要的能源基地,共有8个大型燃煤电厂,小型电厂数量众多,坑口电厂煤电的转换,污染物多残留原地,PM_(2.5)细颗粒物及有害元素大气排放尤需关注。两淮煤田煤中As、Hg、F、Be和U不富集,但燃煤电厂煤消费量大,而两淮地区燃煤电厂有害元素的大气排放量相关报道较少;基于该地区煤炭消费量、煤中元素含量和元素大气排放因子,建立了有害元素As、Hg、F、Be和U的大气排放清单,结果表明:2012年两淮地区燃煤电厂As、Hg、F、Be和U的大气排放量分别为0.31 t、1.93 t、727 t、0.08 t和0.18 t。

安徽淮南煤田煤系地层铝质泥岩的地球化学特征

为研究淮南煤田煤系地层铝质泥岩的地球化学特征,揭示其地质成因,并评价其资源价值,从顾桥矿勘探钻孔中共收集了4个4煤层下伏铝质泥岩样品,分别采用XRD、XRF、ICP-MS对其矿物组成、主量和微量元素进行了分析测试。结果表明:淮南煤田4煤下伏铝质泥岩中矿物主要包括高岭石和菱铁矿,含量少量石英和片钠铝石。与上陆壳元素背景值相比,Al2 O3、Fe2 O3和TiO2富集,SiO2和碱金属氧化物亏损;Ag极强烈富集,Cd强烈富集,Li、B、Cr、Ni、Ge、Zr、In、Hf和Bi富集,Sc、V、Zn、Ga、Sn、W和Pb元素含量正常,稀土元素和其余元素亏损。Ga和B含量、Al2 O3/TiO2、Sr/Ba、Zr/Hf和δCe等地化指标表明该铝质泥岩为淡水影响的弱酸-弱碱陆相沉积环境的产物,其源岩为酸性岩石。该铝质泥岩适合生产一般耐火黏土,其中伴生稀有元素Ga具有开发利用前景。