伊敏褐煤腐植酸结构特征及其分子模型构建

从褐煤中提取腐植酸对于实现褐煤的清洁高效利用具有重要的意义,而探究蒙东地区褐煤腐植酸结构并构建相应的分子模型对于该地区褐煤应用具有广泛的指导作用。采用碱溶酸析法提取蒙东伊敏褐煤的腐植酸,通过采用X射线衍射、^(13)C核磁共振以及X射线光电子能谱等方法对腐植酸的结构特征进行全面表征。结果表明:伊敏褐煤腐植酸中的芳香结构是基础,而脂肪结构主要以交联键以及侧链形式存在;褐煤腐植酸中的芳香团簇尺寸较小,芳香层间距相对较大,且呈现无序排列。根据结构表征相关参数,重构了具有代表性的中国蒙东伊敏褐煤腐植酸分子模型。所构建的伊敏褐煤腐植酸分子结构模型计算数据与实验数据大体吻合,能够充分反映伊敏褐煤腐植酸的化学结构特点。模型中芳香碳结构主要以苯、萘环的形式呈现,少量以菲环形式的存在;脂肪碳主要以较短的侧链和脂肪环形式存在,起到连接芳香基本结构单元的作用。氧元素主要以羧基和酯等O—C=O形式存在,同时还包括一定量的酮、醛、醌、酚、醇以及醚氧,其中羰基C O和醚氧具有交联作用。氮元素则主要以吡咯环的形式存在,并伴有少量的吡啶环和季氮。与西南地区云南褐煤腐植酸结构相比,伊敏褐煤中的芳香碳含量更高且吡咯含氮官能团所占比例也更大,并呈现出一定的地区差异性。

伊敏褐煤和腐殖酸中稀土元素的地球化学特征差异分析

运用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)及常规化学分析方法,对伊敏褐煤稀土元素含量等地球化学特征进行了分析,认为伊敏褐煤稀土元素主要赋存在黏土矿物和含钛矿物中,而黄铁矿、碳酸盐、硫酸盐等矿物中稀土元素含量低,具有稀释效应。稀土元素在脱灰煤提取腐殖酸和脱灰煤提取腐殖酸残煤中的赋存有一定的互补性,稀土元素在脱灰煤提取腐殖酸中相对富集程度为轻稀土<中稀土<重稀土,稀土元素在脱灰煤提取腐殖酸残煤中的相对富集程度为轻稀土>中稀土>重稀土,表明稀土元素在有机质中的分布具有重稀土主要赋存在腐殖酸中、轻稀土主要赋存在煤主体有机结构中的配分特征。

伊敏褐煤不同组分相互作用的热重-质谱分析

煤成烃及煤化作用一直是煤化学领域的核心问题,为深入理解煤成烃及煤化作用机制,选用伊敏原煤及其不同有机组分为研究对象,运用热重-质谱(TG-MS)联用系统,在详细分析伊敏煤6种不同有机组分的热解特征以及主要气态产物(CH_(2)、CH_(4)、C_(2)H_(6)、CO_(2)和苯)的在线析出行为的基础上,对不同有机组分的相互作用机制进行了深入探讨。原煤的热失重曲线及产物的生成曲线不是其不同有机组分热失重曲线和产物生成曲线的简单加和,表现为峰的个数和形状均存在较大差异,表明在热解过程中煤中不同有机组分间存在着相互作用。为进一步理解其相互作用机制,对不同有机组分间互不影响时各产物的逸出速率曲线进行了计算,详细分析了不同有机组分对不同气态产物生成的影响,结果显示:煤中的矿物质对CH_(2)、CH_(4)及烷烃类的生成具有促进作用,对CO_(2)的生成具有抑制作用,而对苯的生成影响不显著;腐植酸的存在促进了C_(2)H_(6)的生成,抑制了CH_(2)、CH_(4)及苯的生成,对羧基裂解生成CO_(2)的反应有抑制作用,而对稳定含氧官能团裂解生成CO_(2)的反应有促进作用;沥青质对CO_(2)的生成具有促进作用,对C_(2)H_(6)的生成具有抑制作用,对苯的生成没有明显影响。

伊敏褐煤不同化学组分结构特征的红外光谱研究

借助傅里叶变换红外光谱仪对伊敏褐煤不同化学组分的结构特征进行了分析,并运用origin7.5软件对伊敏褐煤不同化学组分红外光谱曲线进行了分段分峰拟合,计算了伊敏褐煤不同化学组分的红外光谱结构参数。结果表明,脱灰后伊敏煤的羧基振动强度增强,由原煤中的肩峰变为尖峰,脂肪CH和芳香CH的振动也均受到影响,表现为,苯环四取代增多,苯环二取代减少,脂肪CH_2振动减少,脂肪CH_3振动增加,结构参数I_1,I_2和A值均增大,表明其具有良好的潜在生烃能力;腐殖酸和沥青质中的羧酸及OH-π氢键含量较高,芳香结构中苯环四取代和苯环一取代较多,脂肪CH振动所占比例较高,而不对称CH_2振动所占比例较低,红外光谱结构参数的计算结果显示腐殖酸的脂肪氢浓度最大,说明腐殖酸和沥青质中含有的脂肪烃其长度较短,且支链化程度较高;残煤中的芳香C=C振动较大,脂肪烃以长链为主,且支链较短。

聚集态结构热模拟演化特征HRTEM分析——以内蒙古伊敏煤为例

以伊敏煤为研究对象,利用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)对伊敏煤热模拟后4个不同温度点(384,456,528和600℃)产物的聚集态结构特征进行了研究,并利用热重质谱联用(TG-MS)实验分析了伊敏煤热解过程中主要气态产物的析出特征。研究结果表明,伊敏煤热模拟过程中,芳香层片的长度、弯曲度、有序性、层间距及堆垛高度等均随温度增加发生了阶段性变化,并与热解过程中气态产物的生成密切相关;384~456℃阶段,1×1芳香层片增多,而较大尺寸的芳香层片减少,弯曲度为1.0~1.2的芳香层片增多,较大弯曲度的芳香层片减少,有序性变好,这些现象均与芳香结构内羧基或其他含氧杂环裂解有关,与此同时芳香层片层间距减小,堆垛高度增加;456~528℃阶段,体系内芳香甲基或芳香甲基醚键断裂生成甲烷,新形成的芳香结构聚合,导致1×1芳香层片减少,较大尺寸芳香层片增多,弯曲度为1.0~1.2的芳香层片减少,较大弯曲度的芳香层片增多,有序性变好,同时芳香层片层间距减小,堆垛高度增加;528~600℃阶段,煤热解以小芳香层片的缩聚反应生成大量H_(2)占主导地位,因此1×1芳香层片大幅减少,较大尺寸芳香层片大幅增多,弯曲度为1.0~1.2的芳香层片减少,较大弯曲度的芳香层片增多,芳香层片有序性变差,芳香层片层间距略有增大,堆垛高度显著增加。