微波辅助脱除煤中有机硫的机理研究

为阐明微波场联合过氧乙酸(PAA)脱除煤中有机硫的机理,选取山西临汾(LF)、宁夏宁东(ND)、山西灵石(LS)和河南洛阳(LY)脱矿物质煤及三种含硫模型化合物苄硫醇(Benzyl mercaptan, BM)、苯并(b)噻吩(Benzo (b) thiophene, BT)和二苯基亚砜(Diphenyl sulfoxide, DS)作为研究对象。微波功率为100 W,并联合PAA,辐照1-5 min,通过X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)分析固相中硫形态的变化;通过离子色谱仪(Ion chromatography, IC)分析脱硫后液相中SO_4~(2-)的浓度;通过气相色谱-质谱联用仪(Gas chromatography/mass spectrometry, GC/MS)分析萃取物中硫形态的变化。结果表明,有机硫化物硫的含量高,脱硫率大,LY和LS最大脱硫率分别高达55.06%和45.78%,ND和LF最大脱硫率分别为31.24%和28.21%,煤中的硫醇比噻吩和亚砜更易脱除,且脱硫过程中硫形态逐渐向高价态转化,含硫键在微波场中断裂,最终可被PAA氧化为SO_4~(2-)。     

萃取反萃取法研究新峪焦精煤中有机硫的赋存规律

以高含有机硫的新裕焦精煤为研究对象,采用萃取反萃取和分级萃取的分离方法及XPS、GC/MS等分析技术,对原煤和各族组分内不同结构的有机硫分布情况进行了研究,重点考察了各类型有机硫在煤有机质本体结构及族组分中的赋存规律。结果表明,组分总硫基赋存分率则与复杂性程度正好相反;可溶性含硫组分在总溶出物中的分布,相对不同族组分而言总体均衡;可溶性的共轭结构类有机硫主要赋存于煤密中质组中,其次是疏中质组中且以噻吩类为主,较少赋存于煤重质组中;而可溶性的脂肪结构类有机硫则主要赋存于煤重质组和密中质组中,较少赋存于疏中质组中;各族组分内有机硫的萃取率随时间的变化规律具有明显的加和性,族组分内可溶含硫组分的溶出行为相互独立,符合煤嵌布结构模型的基本思想;煤中不同形态有机硫的赋存遵循"相似相溶"原理。     

过渡金属添加剂对煤热解脱硫的影响

利用坩埚焦考察了过渡金属添加剂Fe、Cr和Mn的不同形态在焦化过程中对高硫焦煤中硫脱除的影响,并通过固定床热解实验考察了不同气氛下添加剂对煤热解脱硫及含硫化合物逸出的影响。结果表明,不同金属添加剂对煤中硫形态有不同影响,氧化性较高的Fe3+降低了煤中黄铁矿硫的含量,而其他金属添加剂对煤中硫形态影响不大。在模拟焦化过程中,铬系添加剂提高了热解脱硫率,而铁系和锰系添加剂降低了脱硫率;负载Cr3+的介休煤在不同气氛下的热解表明,氮气抑制了Cr的脱硫作用,显著地减少了含硫气体的生成量,并使煤中易脱除硫转化为稳定的有机硫;还原性气氛有利于Cr3+添加剂的脱硫作用,显著地增加了含硫气体的生成量;焦炉气和氢气下添加剂对热解脱硫及煤热解过程中含硫气体逸出的影响相似,焦炉气可以作为提高过渡金属添加剂脱硫性能的反应气体。     

CH3SH与HOCl分子间氢键和卤键的结构与性质

在DFT-B3LYP及MP2/6-311＋＋G**水平上分别求得CH3SH…HOCl氢键复合物和CH3SH…ClOH卤键复合物势能面上的稳定构型. 频率分析表明, 与单体HOCl相比, 在两种复合物中, Cl(9)—O(7)和H(8)—O(7)键伸缩振动频率发生显著的红移. 经MP2/6-311＋＋G**水平计算的含基组重叠误差(BSSE)校正的气相中相互作用能分别为－19.23和－6.85 kJ•mol－1. 自然键轨道理论(NBO)分析表明, 在CH3SH…ClOH卤键复合物中, 引起Cl(9)—O(7)键变长的因素包括2种电荷转移: (i)孤对电子LP[S(1)]1→σ*[Cl(9)—O(7)]; (ii)孤对电子LP[S(1)]2→σ*[Cl(9)—O(7)], 其中孤对电子LP[S(1)]2→σ*[Cl(9)—O(7)]转移占主要作用, 总的结果是使σ*[Cl(10)—O(11)]的自然布居数增加, 同时O(7)和Cl(9)原子s成分均增加的杂化重优具有与电荷转移作用相同的“拉长效应”; 在CH3SH…HOCl氢键复合物中也存在类似的电荷转移, 但是O(7)原子的再杂化效应不同于前者. 自然键共振理论(NRT)进行键序分析表明, 在氢键复合物和卤键复合物中, H(8)—O(7)和Cl(9)—O(7)键的键序都减小. 通过分子中原子理论(AIM)分析了复合物中氢键和卤键的电子密度拓扑性质.     

常压程序升温还原—质谱法研究遵义煤在热解过程中硫的变迁行为

选取遵义(ZY)原煤及其热解半焦,采用常压程序升温还原—质谱法(AP-TPR-MS)与化学法相结合考察了温度和气氛对热解过程中硫变迁行为的影响。结果表明,对于ZY煤而言,黄铁矿和不稳定有机硫除在氮气气氛下500 ℃时热解不能全部分解外,在其他条件下热解时都可以分解。1%氧气对ZY煤中稳定的有机硫的分解有很强的促进作用,不仅可以脱除稳定的有机硫,还可以使更稳定的有机硫断裂生成次稳定的有机硫,在随后的AP-TPR-MS实验过程中,这部分硫在较低的温度下逸出。合成气和1%氧气在700 ℃时与氢气有着相同的脱硫效果。     

Heteroatom Effects on Electronic Excited State Hydrogen Bonding of Fluorenone‐Based Molecular Materials

In this work, the geometry optimizations in the ground state and electronic excitation energies and corresponding oscillation strengths of the low‐lying electronically excited states for the isolated fluorenone (FN) and FN‐based molecular monomers, the relatively hydrogen‐bonded dimers, and doubly hydrogen‐bonded trimers, are calculated by the density functional theory and time‐dependent density functional theory methods, respectively. We find the intermolecular hydrogen bond CO···H O is strengthened in some of the electronically excited states of the hydrogen‐bonded dimers and doubly hydrogen‐bonded trimers, because the excitation energy in a related excited state decrease and electronic spectral redshift are induced. Similarly, the hydrogen bond CO···H O is weakened in other excited states. On this basis, owing to the important difference of electronegativity, heteroatoms S, Se, and Te that substitute for the O atom in the carbonyl group of the FN molecule have a significant effect on the strength of the hydrogen bond and the spectral shift. It is observed that the hydrogen bond CTe···H O is too weak to be formed. When the CS and CSe substitute for CO, the strength of the hydrogen bonds and electronic spectra frequency shift are significantly changed in the electronic excited state due to the electron transition type transformation from the ππ* feature to σπ* feature. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. Heteroatom Chem 24:153–162, 2013; View this article online at wileyonlinelibrary.com . DOI 10.1002/hc.21075     

煤中有机硫形态结构和热解过程硫变迁特性的研究

利用热解 质谱并结合固定床热解反应装置，对煤中有机硫的形态主其对加氢热解过程 变迁特性的影响，进行了较系统的研究。结果表明，煤中有机硫的形态结构在褐煤中主要以脂肪族、芳香族硫化物为主，而在 煤中则主要以各种不同芳构化程度的噻吩结构为主，初步表明煤中有机硫形态结构随煤变质程度的变迁呈较强的连续递变性。煤热解过程中硫在呼产物中的变迁和分布与煤中有机硫的形态结构特点密切相关。较高芳构化噻吩结构不完全的氧     

程序升温还原法研究氧化对煤中硫形态及结构的影响

用程序升温还原法研究了三种不同硫含量的煤被空气和HNO3氧化后含硫气体的逸出规律。结果表明，空气和HNO3氧化后，尽管煤中有机硫总量变化不大，但煤中H2S的释放量有所下降，而COS和SO2的生成量明显增加，这说明氧化作用使得煤中弱的有机硫变成S=O和SO2结构。与以往的研究结果不同的是，发现CS2的生成与FeS密切相关，同时对HNO3氧化后的煤来说，CS2的生成主要以气相中H2S和COS的反应为主。空气氧化后煤中CS2的生成量与原煤的差不多，但HNO3氧化后煤中释放出的CS2有所下降。提出通过（COS+SO2）/H2S的比值来研究煤及其中硫被氧化的程度，并对比了不同煤种及氧化后样品的气相含硫化合物发现：随变质程度的提高和煤中噻吩硫含量的增加，煤被氧化的程度下降。对同一煤种而言，HNO3的氧化程度要高于空气氧化的。     

哈密煤温和液化固体产物热解过程中硫的变迁规律

利用固定床反应器研究了哈密煤温和液化固体产物（MLS）在热解过程中含硫气体的释放规律以及不同形态硫的变迁规律，并分析了矿物质对硫变迁规律的影响。结果表明，在实验考察的条件范围内，MLS热解过程中大部分的硫残留在半焦中，仅有不到10%的硫迁移到焦油中或转化为含硫气体逸出。热解生成的含硫气体以H₂S为主，当热解温度为400℃时H₂S的逸出速率达到最大。通过改进方法测定了MLS及其热解半焦中各种形态硫的含量，发现MLS热解过程中以硫化物硫和有机硫的分解和转化为主。随着热解温度的升高，MLS中有机硫逐渐分解并以含硫气体的形式逸出；当热解温度低于600℃时，MLS中硫化物硫逐渐转化为含硫气体、有机硫和少量的黄铁矿硫；当热解温度高于600℃时，MLS中碱性矿物质吸收气相中的H₂S转化为硫化物硫，硫化物硫缓慢增加。醋酸酸洗可以保留MLS中大部分的硫化物硫，且酸洗后MLS热解生成的H₂S逸出速率增大，峰温向低温方向移动；当热解温度高于600℃时，有机硫和硫化物硫的脱硫反应速率降低，并且MLS中的碱性矿物质与H₂S反应生成金属硫化物，导致H₂S逸出速率明显降低。     

CH2SH与NO2双自由基反应机理的理论研究

在B3LYP/6-311＋＋G(2df,p)水平上优化了标题反应驻点物种的几何构型, 并在相同水平上通过频率计算和内禀反应坐标(IRC)分析对过渡态结构及连接性进行了验证. 采用双水平计算方法HL//B3LYP/6-311＋＋G(2df,p)对所有驻点及部分选择点进行了单点能校正, 构建了CH2SH＋NO2反应体系的单重态反应势能剖面. 研究结果表明, CH2SH与NO2反应体系存在4条主要反应通道, 两个自由基中的C与N首先进行单重态耦合, 形成稳定的中间体HSCH2NO2 (a). 中间体a经过C—N键断裂和H(1)—O(2)形成过程生成主要产物P1 (CH2S＋trans-HONO), 此过程需克服124.1 kJ•mol－1的能垒. 中间体a也可以经过C—N键断裂及C—O键形成转化为中间体HSCH2ONO (b), 此过程的能垒高达238.34 kJ•mol－1. b再经过一系列的重排异构转化得到产物P2 (CH2S＋cis-HONO), P3 (CH2S＋HNO2)和P4 (SCH2OH＋NO). 所有通道均为放热反应, 反应能分别为－150.37, －148.53, －114.42和－131.56 kJ•mol－1. 标题反应主通道R→a→TSa/P1→P1的表观活化能为－91.82 kJ•mol－1, 此通道在200～3000 K温度区间内表观反应速率常数三参数表达式为kCVT/SCT＝8.3×10－40T4.4 exp(12789.3/T) cm3•molecule－1•s－1.     

基于平均影响值的反向传播神经网络方法用于提高密度泛函理论计算Y—NO键均裂能精度

将基于平均影响值(Mean impact value,MIV)的反向传播神经网络(Back propagation neural netowrk,BPNN)(MIV-BPNN)方法用于提高密度泛函理论(Density functional theory,DFT)计算Y—NO(Y=N,S,O及C)键均裂能的精度.利用量子化学计算和MIV-BPNN联合方法计算92个含Y—NO键的有机分子体系的均裂能.结果表明,相对于单一的密度泛函理论B3LYP/6-31G(d)方法,利用全参数下的BPNN方法计算92个有机分子均裂能的均方根误差从22.25 kJ/mol减少到1.84 kJ/mol,而MIV-BPNN方法使均方根误差减少到1.36 kJ/mol,可见B3LYP/6-31G(d)和MIV-BPNN联合方法可以提高均裂能的量子化学计算精度,并可预测实验上无法获取的均裂能值.     

氧化性气氛下流化床中煤的热解脱硫及硫的分布

兖州（YZ）原煤，在氧气体积分数为3.0%、5.6%、8.7%，热解温度400℃～800℃, 热解停留30min，在流化床反应器中进行了热解脱硫实验。结果表明，兖州煤在3.0%O2，600℃时的脱硫效果最佳，可达70%；此时的黄铁矿硫全部脱除，而有机硫也可脱除60%以上。而相同温度惰性气氛下的总硫和有机硫的脱除率则分别为25%和15%。在氧化性气氛下，脱除的硫主要分布在焦油中；随着氧气体积分数的提高，半焦收率下降的很快，下降幅度要比脱硫率的增加幅度大。因此，氧气体积分数过高，在选择性断裂C—S键的同时，也使C—C键发生了断裂。     

Bond Energy Scheme for Estimating Heats of Formation of Monomers and Polymers. VI. Sulfur Compounds

The bond energy scheme is extended to sulfur compounds and heats of formation and atomization energy terms derived from thermochemical data reviewed to 1977, for bonds of sulfur with carbon, hydrogen, halogens, and oxygen atoms. A precision of ± 1 kcal/mole was attainable for the covalent bonds of divalent sulfur in the lowest oxidation state S(± II). The higher valency states: S(IV) and S(VI) involve polar contributions depending upon the electrouegativity of the combining atom as well as (d^π -p^π) orbital promotion energies which are specific to the compound and transferable to other molecules only with a limited precision, no better than about ± 3 kcal/mole. The atomization energy terms (E_a ^25°C) of various bonds of sulfur a are found consistent with the experimental bond dissociation energies and bear a relationship with bond lengths and force constants as observed in the previous work. Heats of polymer-forming reactions and heats of formation of sulfur-containing monomers and polymers are estimated from the newly derived bond energy terms.     

煤显微组分分子结构模型的量子化学研究

采用分子力学和半经验量子化学方法，研究了神木煤显微组分的分子结构模型，比较了镜质组和惰质组分子模型的能量构成、不同类型键的键长和键裂解能。研究结果表明，扭转能和范德华能是分子中的主要作用力，取代基对体系能量有明显影响，烷基取代基使体系能量增加，而苯基取代基使体系能量降低；脂肪C—C键长比芳香C—C键长长，说明脂肪C—C在受热过程中比芳香C—C更容易断裂分解。对各键裂解能的计算结果表明，Car—Cal键的裂解能高于Cal—Cal，Car—O醚键的裂解能高于Cal—O醚键。而惰质组结构模型中除C—O醚键外，各键的裂解能均高于镜质组，说明惰质组结构模型比镜质组有较高的热稳定性。     

精确计算化学键解离能的ONIOM-G3B3方法及其在抗氧化剂研究中的应用

通过对179个有机化合物C—H, N—H, O—H键离解能的理论计算, 系统评估了高精度组合从头算方法(ONIOM-G3B3)和密度泛函理论方法(B3LYP)在预测键离解能上的可靠性. 研究发现ONIOM-G3B3方法可以准确预测各类有机化合物的键解离能, 精度达到5.9 kJ/mol. 运用ONIOM-G3B3方法成功预测了两类重要的天然抗氧化剂维生素E族和茶多酚族的键解离能, 并进一步讨论了抗氧化活性、自由基清除机理及其构效关系.     

H2S splitting on Cu(110): Insight from combined periodic density functional theory calculations and microkinetic simulation

Practical copper (Cu)‐based catalysts for the water–gas shift (WGS) reaction was long believed to expose a large proportion of Cu(110) planes. In this work, as an important first step toward addressing sulfur poisoning of these catalysts, the detailed mechanism for the splitting of hydrogen sulfide (H₂S) on the open Cu(110) facet has been investigated in the framework of periodic, self‐consistent density functional theory (DFT‐GGA). The microkinetic model based on the first‐principles calculations has also been developed to quantitatively evaluate the two considered decomposition routes for yielding surface atomic sulfur (S*): (1) H₂S → H₂S* → SH* → S* and (2) 2H₂S → 2H₂S* → 2SH* → S* + H₂S* → S* + H₂S. The first pathway proceeding through unimolecular SH* dissociation was identified to be feasible, whereas the second pathway involving bimolecular SH* disproportionation made no contribution to S* formation. The molecular adsorption of H₂S is the slowest elementary step of its full decomposition, being related with the large entropy term of the gas‐phase reactant under realistic reaction conditions. A comparison of thermodynamic and kinetic reactivity between the substrate and the close‐packed Cu(111) surface further shows that a loosely packed facet can promote the S* formation from H₂S on Cu, thus revealing that the reaction process is structure sensitive. The present DFT and microkinetic modeling results provide a reasonably complete picture for the chemistry of H₂S on the Cu(110) surface, which is a necessary basis for the design of new sulfur‐tolerant WGS catalysts. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.     

用XPS研究新西兰高硫煤热解过程中氮、硫官能团的转变规律

选择一种高硫新西兰煤(NXL)作为研究对象,高纯Ar气氛中,以5℃/min的升温速率在管式炉中热解,热解终温为300~1 000℃。用XPS研究煤及不同温度下半焦中氮、硫的赋存形态。将N 1s谱图用Lorentzian-Gaussian拟合分为四个峰:N-6(398.8±0.4)eV、N-5(400.2±0.3)eV、N-Q(401.4±0.3)eV和N-X(402.9±0.5)eV;S 2p谱图分为六个峰:硫铁矿(162.5±0.3)eV、硫化物(163.3±0. 4)eV、噻吩(164.1±0.2)eV、亚砜(166.0±0.5)eV、砜(168.0±0.5)eV和硫酸盐硫(169.5±0.5)eV。结果表明,煤中氮元素的主要存在形式是吡啶、吡咯、质子化吡啶和氮氧化物;低于600℃,半焦中的氮元素主要以吡啶和吡咯形式存在;随温度的升高,吡咯向吡啶转化;当温度超过900℃,氮氧化物这一形态消失。该煤中的硫以有机硫为主,其中,噻吩硫占50%以上;随着热解温度的升高,煤中的硫铁矿硫逐步转化为无机硫化物,600℃时分解完全。     

Adsorption and dissociation of the methanethiol (CH3SH) molecule on the Fe(100) surface

These contributions explore interaction modes between the methanethoil (CH₃SH) molecule and the Fe(100) surface via implementing accurate density functional theory (DFT) calculations with the inclusion of van der Waals corrections. We consider three adsorption sites over the Fe(100) surface, namely, top(T), bridge (B), and hollow (H) sites as potential catalytic active sites for the molecular and dissociative adsorption of the CH₃SH molecule. The molecular adsorption structures are found to occupy either B or T sites with former sites holding higher stability by 0.17 eV. The inclusion of van der Waals corrections refound to slightly alter adsorption energies. For instance, adsorption energies increased by ~ 0.18 and ~ 0.21 eV for B and T structure, respectively, in reference to values obtained by the plain generalized gradient approximation (GGA) functional. A stability ordering of the dissociation products was found to follow the sequence (CH₄, S) > (CH₃, S, H) > (─SCH_3, H) > (─CH₃, SH). The differential charge density distributions were examined to underpin prominent electronic contributing factors. Direct fission of C─S bond in the CH₃SH molecule attains exothermic values in the range 2.0 to 2.1 eV. The most energetically favorable sites for the surface-mediated fission of the thiol's S─H bond correspond to the structure where the ─SCH₃ and H are both situated on hollow sites with an adsorption energy of −2.43 eV. Overall, we found that inclusion of van der Waals functional to change the binding energies more noticeably in case of dissociative adsorption structures. The results presented herein should be instrumental in efforts that aim to design stand-alone Fe desulfurization catalysts.     

无金属参与的氧原子邻位C(sp~3)—S键的构筑

以二叔丁基过氧化物(DTBP)为氧化剂,苯硫酚为硫化试剂,在无金属参与的条件下,于120℃下采用一步法合成了硫代苄醚.这种构筑C(sp~3)—S键的方法具有高原子经济性和高选择性的优点,并以较高的收率获得了一系列目标化合物.     

新峪焦精煤中硫在族组分间的赋存规律研究(英文)

为从煤的本体组成结构方面来阐述煤中硫的赋存与分布规律,以高含有机硫的新峪焦精煤为对象,采用萃取反萃取的煤全组分分离方法和XPS、GC/MS等分析技术,对原煤和各族组分中的不同形态无机硫和有机硫含量进行了研究,重点考察了有机硫在煤有机质本体中的赋存规律。结果表明,无机硫的分布主要依赖于其自身在煤主体中的粒径大小和密度高低,与煤族组分本身结构关联较小。无论是原煤还是族组分,其有机硫均以噻吩型硫占主导;共轭结构为主的分子外环境,使共轭结构类有机硫的电子结合能降低,而使脂肪结构类硫的电子结合能升高,反之亦然。有机硫在煤中分布总体均衡,不会因为族组分结构不同而产生较大差异;但有机硫的类型硫赋存比例则与族组分本身的结构特征有所关联,不过其差别相对较小。轻质族组分中只含有一种有机硫小分子化合物,且相对丰度较小。