胜利褐煤和小龙潭褐煤在甲醇中的热溶及热溶物分析

研究了胜利褐煤(SL)和小龙潭褐煤(XLT)在甲醇中的热溶行为,并利用傅里叶变换红外光谱、气相色谱/质谱(GC/M S)和大气压固体分析探针/飞行时间质谱(ASAP/TOF-M S)对320℃热溶物的组成和结构特征进行了分析。两种褐煤热溶物产率均随温度升高而增加,但240℃后XLT热溶物(SPXLT)产率明显高于SL热溶物(SPSL)。GC/MS分析表明,两种褐煤热溶物以含氧化合物为主,尤其酚类的相对含量超过49%;与SPXLT相比,SPSL中烯烃、芳烃、醚类、羧酸、酯类和有机硫化合物(OSCs)含量较高,而烷烃、酚类、酮类和有机氮化合物含量较低;SPSL中的OSCs以噻吩为主,而SPXLT中的OSCs以硫醇为主。ASAP/TOF-M S可检测出热溶物中大量GC/M S无法检测出的较强极性和难挥发化合物;与SPXLT相比,SPSL中CHO和CHS族分含量较低,而CHN、CHNO、CHOS、CHNS和CHNOS族分含量较高;两种褐煤热溶物中化合物的碳数和双键数(double bond equivalent,DBE)主要分布在3-15和0-10,SPXLT中化合物的碳数和DBE分布相对集中。     

先锋褐煤及其热溶残煤的过氧化氢氧解

利用1-甲基萘（1-MN）对先锋褐煤进行热溶,并在温和条件下分别对原煤及其热溶残煤进行过氧化氢氧化。结合元素分析和FT-IR对各级产物进行结构表征,用GC/MS对氧化反应水溶性产物的甲酯化衍生物进行分析。结果表明,先锋褐煤在1-MN中的热溶率较低,320 ℃下热溶残煤（TR）的收率为81.01%,该煤主要以共价键交联的大分子结构为主,非共价键缔合的小分子含量较低,并以脂肪结构为主,含一定量的羰基以及少量的羟基和芳香结构。原煤和热溶残煤氧化水溶性产物中α,ω-二羧基烷酸含量较高,同时还发现,相当含量的芳香酸及三元羧酸存在,其中,α,ω-二羧基烷酸主要以丙二酸和丁二酸为主;原煤中可溶小分子易被氧化并生成较复杂的产物。与原煤相比,热溶残煤结构更为规整,氧化主要以共价键交联的大分子结构的氧化解聚为主,氧解率较低,水溶性氧解产物也较简单,种类较少,据此推测先锋褐煤的桥键主要以为-CH₂-和-CH₂-CH₂-为主。     

褐煤中水分的原位漫反射红外光谱研究

采用漫反射红外光谱(DRIFT)法,以140℃时褐煤的单光束图为背景研究了两种褐煤中的水分.结果表明,褐煤中水分的含量与光谱图相应区域的积分面积呈线性关系;在计算煤中水分形成的氢键键能的基础上,讨论了水分与煤表面间的氢键相互作用;根据DRIFT谱,将煤中的水分分为游离态的水与以弱氢键与煤表面结合的水和与煤形成强氢键的水.低于80℃时主要脱除前者,而高于80℃则主要脱除后者.     

褐煤在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐中热溶及热溶产物的分离与分析

基于离子液体对煤的高效解聚性能,对先锋褐煤(XL)、锡林郭勒褐煤(XLGL)和胜利褐煤(SL)在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmim]Cl)中的热溶性能进行了研究.同时,对XL在离子液体[Bmim]Cl中的热溶产物进行了分离,并对分离所得各组分进行了分析表征来研究褐煤的结构信息.研究发现,在相同条件下离子液体[Bmim]Cl对不同褐煤的萃取性能显著不同,其顺序为XL>SL>XLGL.先锋褐煤离子液体热溶物可分离为丙酮可溶物、吡啶可溶物和吡啶不溶物,其中,丙酮可溶物(AS)为15.9%、吡啶可溶物(PS)为56.0%、吡啶不溶物(PI) 为28.1%.分析表明,丙酮可溶物中含有长链的脂肪化合物及部分三环、四环等芳香化合物,吡啶可溶物和吡啶不溶物中大多以三环及五环芳香化合物的形式存在.     

昭通褐煤氨解可溶化转化及热溶物中氧和氮的赋存形态

褐煤碳含量高且富含氧、氮等杂原子,是制备炭材料的重要原料。但由于褐煤可溶有机碳含量低,杂原子分配无规律,导致以褐煤为原料制备炭材料面临诸多挑战。因此,亟需实现褐煤的可溶化转化。本研究以氨水为溶剂,旨在温和条件下,同步实现昭通褐煤的可溶化和褐煤热溶物中氧和氮的调控。实验结果表明,在氨水质量分数15%、温度160℃条件下反应3 h,热溶物收率最高为76.66%,昭通褐煤表现出良好的热溶效果。基于对热溶物的表征和分析,发现氨解在一定程度上改变了煤中的大分子结构,表现为氨基与羟基置换,或与部分羧基、羰基直接反应生成有机态氮。对比发现,原煤中氮元素赋存形态以季氮和吡咯氮为主,而可溶物中氮元素赋存形态以氨基氮和吡啶氮为主,表明褐煤氨解热溶过程产生了氨基或酰胺基。     

苯在NaHY沸石上的吸附热及红外光谱研究

本文用气相色谱法在250-300 ℃的范围内, 测定了苯在不同Na:H比的NaHY的初始吸附热. 结果发现 ,随着Na含量的减少, 苯在NaHY上的吸附热作阶梯式的下降, 即由NaY上的62.4 kJ·mol~(-1)经过60.3 kJ.mol~(-1)降至HY上的54.6 kJ mol~(-1). 红外光谱的研究结果表明, 苯在NaY上吸附产生的1848和1984 cm~(-1)一对吸收带,在HY上吸附产生的1832和1975cm~(-1)一对吸收带,可以分别表征苯和NaHY中的Na~+以及H~+的作用. 根据上述结果讨论了苯在NaHY上吸附位的性质、吸附作用的强弱以及Na~+离子的定位状况。     

十六烷基三甲基溴化铵水溶液热致相变的红外光谱研究

在280～320K的温度范围内考察了30％十六烷基三甲基溴化铵水溶液的红外光谱随温度的变化。结果表明该体系的凝聚胶-液晶相转变温度为300K。在300K以下的凝聚胶相,分子的极性头部基团处于高度“固定”的状态,分子的碳氢链以有序的相互平行方式排列,极性头与碳氢链之间有一定的倾斜角。在300K以上的液晶相,极性头内部CH_3-(N~+)基团以及整个极性头与碳氢链之间发生了旋转,碳氢链变为以六方亚晶胞填充形式存在,旦扭曲式构象异构体数量显著增多,极性头与碳氢链之间已不存在倾斜角,分子的亲水极性头和疏水碳氢链部分都处于“融化”状态。     

液晶聚合物材料的红外光谱表征

红外光谱以高选择性、无破坏性以及高超的分辨和实时跟踪能力成为从分子水平研究液晶聚合物的的重要分析手段,而偏振二向色技术、时间分辨步扫描技术和二维相关分析技术的发展进一步提高了红外光谱分析复杂液晶聚合物的能力。本文介绍了传统傅里叶变换红外光谱及各种新型光谱分析技术（主要是二维相关技术）对液晶聚合物材料表征的研究进展,特别是对于液晶聚合物分子氢键、共聚和共混物相容性以及外场（温度、电场、光场、应力场）作用下液晶分子取向等的研究,并分别进行了具体的应用实例分析。     

神府次烟煤在不同温度下的热溶产物表征

利用FT-IR、热重、GPC以及同步荧光分析等对神府次烟煤在不同温度条件下的1-甲基萘热溶物和热溶残煤进行了表征。结果表明,热溶物中含有较多的脂肪结构,灰分几乎全部转移至残煤中;热溶残煤与神府原煤的热失重特性存在明显差别;在300~360 ℃,随着温度升高,热溶物数均分子量呈增加趋势,进一步提高温度,分子量减小;热溶物缩合芳环数随着温度升高而增加。据此表明,在低于煤初始热解温度下神府次烟煤的热溶主要以溶剂化作用破坏煤中的非共价键为主,其中,酮、酯等轻质组分易于脱除;而高于煤初始热解温度的热溶过程则伴有侧链和桥键等弱共价键断裂的热解反应和自由基缩聚反应,热溶物中三环等稠环芳香结构增加。     

胜利褐煤液化沥青烯光谱表征

以胜利褐煤为原料,通过不同条件下加氢液化制备了相应的沥青烯,利用元素分析、红外光谱、紫外可见光谱和荧光光谱等分析技术对所制备的沥青烯进行了结构表征,探讨了氢气初压和液化温度对沥青烯结构的影响。结果表明,胜利褐煤液化活性高,沥青烯和前沥青烯等重质中间物收率较低。胜利褐煤沥青烯中芳香体系主要以2~3环缩合芳环及联苯类芳香结构为主。提高氢气初始压力,可以促进煤的加氢裂解及AS脱羟基。高温、高氢压有利于AS中芳环取代基的加氢裂解。相对而言,荧光光谱是沥青烯芳香结构的有效表征手段,其荧光光谱特征结果与元素分析、H/C原子比间存在明显的相关性。     

先锋褐煤的热处理和水热处理改质

通过先锋褐煤热处理和水热处理,结合处理煤结构与性质表征,研究了热处理和水热处理对先锋褐煤结构、抽提和溶胀性能的影响,探讨了热处理过程水的作用。结果表明,低于热解温度下的热处理以非共价键解缔合及部分弱共价键热解为主,水与煤的水热反应能够抑制水热处理过程中煤的热解和小分子化合物释放。高温热处理以热解和脱氧为主,水热反应可以稳定煤热解活性基团,避免其二次裂解和交联,在一定程度上提高处理煤的混合溶剂抽提率,改善其溶胀性能。     

先锋褐煤在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐作用下热溶解聚及其产物分析

考察了先锋褐煤(XL)在高温稳定性很好的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐([Bmim]OTf)中的解聚性能,并对其在不同热溶条件下解聚所得热溶物和残煤进行了分析表征。结果表明,[Bmim]OTf对XL具有较好的解聚性能。在280℃,[Bmim]OTf/XL为3.5下解聚4h,[Bmim]OTf对XL的萃取率(以四氢呋喃可溶物计)为20.1%。四氢萘(THN)、H₂和催化剂ZnCl₂的加入可显著促进XL在[Bmim]OTf中的解聚,相比于XL在[Bmim]OTf作用下的萃取率,THN、H₂和催化剂ZnCl₂的加入使可溶物的收率分别提高到30.0%、36.9%和46.8%。产物分析结果表明,在[Bmim]OTf热溶解聚XL的过程中THN的加入使得XL经离子液体[Bmim]OTf解聚所得热溶物中氢键的数量明显增加;H₂和ZnCl₂的添加分别增加了产物中脂肪烃和芳烃的含量。     

小龙潭褐煤加氢液化及其重质产物结构表征

研究了小龙潭(XLT)褐煤直接加氢液化性能,并利用元素分析、红外光谱和荧光光谱法对液化重质产物沥青烯(AS)和前沥青烯(PA)结构进行了分析表征。结果表明,XLT褐煤液化活性高,FeS催化415 ℃时液化转化率最高达到89.6%,其液化过程主要是煤大分子结构热解并脱氧。所得AS和PA的芳环结构单元类似于原煤,氧主要以羟基和芳香酮羰基形式存在。PA具有"列岛"(archipelago)式大分子结构特征,芳香结构含量明显大于AS。THF溶液中,PA缔合作用显著强于AS,尤其在稀溶液中PA存在一定的分子内缔合。较高温度下所得PA和AS中芳香结构含量高,缔合作用强。     

先锋褐煤可溶有机质中含氮化合物的组成和结构特征

先锋褐煤在高压釜中用等体积的甲醇/甲苯溶剂300℃下热溶得到热溶物和热溶残渣,利用X射线光电子能谱（XPS）分析了先锋褐煤及其热溶残渣中氮的形态,利用气相色谱/质谱（GC/MS）和电喷雾傅里叶变换-离子回旋共振质谱（ESI FT-ICR MS）分析了热溶物中含氮化合物的组成和结构特征。研究表明,先锋褐煤中氮形态含量顺序为季氮 > 吡啶氮 > 吡咯氮,而季氮在热溶过程中更易溶出。GC/MS共检测出热溶物中20种含氮化合物,并且大部分为胺类化合物。ESI FT-ICR MS检测出热溶物中300多种含氮化合物,大部分含氮化合物含一个或三个氮原子。含一个氮原子的含氮化合物主要以N₁O₁、N₁O₂和N₁O_xS_1-2类化合物为主,而含三个氮原子的含氮化合物主要以N₃O_xS_1-2（x=1-12）类化合物为主。含一个氮原子的含氮化合物的等效双键数和碳数随氧原子数增加而增加。     

先锋褐煤在离子液体中温和加氢转化研究

对先锋褐煤在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim]BF₄)中于温和条件下(350 ℃)的加氢液化行为进行了研究.主要考察了催化剂FeS、ZnCl₂、AlCl₃和FeCl₃对先锋褐煤在离子液体[Bmim]BF₄中液化性能的影响规律,并对液化产物进行了红外光谱分析.研究发现,先锋褐煤在离子液[Bmim]BF₄、催化剂和四氢萘(THN)作用下具有较好的液化性能.在350 ℃、[Bmim]BF₄和ZnCl₂作用下,先锋褐煤的液化产物产率为66.2%,主要的液化产物为四氢呋喃可溶物(THFS)、四氢呋喃不溶而N-甲基吡咯烷酮可溶的产物(NS).液化产物的红外光谱分析结果表明,催化剂的种类显著影响液化产物的分布和结构.     

先锋褐煤在水热处理过程中的结构演绎

以先锋褐煤(XF)为原料,在高压反应釜中考察了水热处理过程中褐煤的结构变化,通过13C固体核磁共振(NM R)和傅里叶变换红外光谱进行了分析表征。结果表明,在低于240℃的水热处理条件下,煤有机分子结构中的弱化学键有一定断裂,含氧官能团逐步减少;水中氢以离子形态迁移至褐煤中,处理后褐煤结构中甲基比例先增加后减少,次甲基比例由原煤的4.80%增加至XF-240的13.16%;释放的气体中主要是CO_2,烃类气体组分随处理温度的升高略有增加。当水热处理温度高于240℃时,褐煤中部分共价键开始断裂,释放的烃类气体(C1-4)由240℃时的2.13%增加至300℃时的8.59%,脂肪碳比例由XF-240的44.83%降低至XF-300的39.49%,与氧连接的碳比例由XF-240的12.57%降低至XF-300的1.49%。水热处理对褐煤的脱氧提质效果显著,300℃时氧含量降低约30%,芳香碳比例增加至60.50%,比原煤提高19%。     

热预处理影响褐煤热解行为研究

采用固定床反应器研究了不同气氛热预处理对内蒙胜利褐煤结构的改变,及其对后续热解行为的影响。结果表明,与原煤相比,热预处理后煤中羟基含量和芳香氢与脂肪氢的比减少,脂肪氢的相对含量增加。与未经处理的煤热解相比,N2、N2+O2、CO2气氛下热预处理后热解水收率下降,热解气收率增加,热解气中CO2含量增高,导致高位热值下降。过热水蒸气热预处理后,焦油质量收率提高3～4个百分点。热解焦油组成的变化与预处理气氛、温度密切相关,过热水蒸气200℃下预处理使得焦油中轻质组分的含量(沸点低于360℃的馏分)比原煤焦油提高了约27个百分点;水蒸气和模拟烟气混合气氛下在200℃及250℃预处理后,其热解焦油中轻油和酚油含量分别提高约60和42个百分点。     

Combustion characteristics of lignite and oil shale samples by thermal analysis techniques

In this research thermal analysis and kinetics of ten lignite's and two oil shale samples of different origin were performed using a TA 2960 thermal analysis system with thermogravimetry (TG/DTG) and differential al analysis (DTA) modules. Experiments were performed with a sample size of ~10 mg, heating rate of 10°C min^-1. Flow rate was kept constant (10 L h^-1) in the temperature range of 20-900°C. Mainly three different reaction regions were observed in most of the samples studied. The first region was due to the evaporation of moisture in the sample. The second region was due to the release of volatile matter and burning of carbon and called as primary reaction region. Third region was due to the decomposition of mineral matter in samples studied. In kinetic calculations, oxidation of lignite and oil shale is described by first-order kinetics. Depending on the characteristics of the samples, the activation energy values are varied and the results are discussed. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.