鄯善低温煤焦油成分的谱学分析与评价

利用核磁共振(NMR)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对新疆鄯善地区原煤干馏制取的煤焦油进行了研究.NMR研究结果表明鄯善煤焦油的芳碳率f_(ar)~C为0.44;平均碳数N为2.87;取代指数σ为0.33;缩合指数Q为0.74,这与缩合芳香环上连接的烷基侧链较多、链长较短有关;含氧官能团主要以芳醚形式存在;羧基、甲氧基脱落或者消失.选择了5个红外光谱参数B_1~B_5,用Ominic软件对谱图进行了矢量归一化并积分,获得了IR相关的部分结构参数.通过对NMR和IR结构参数的分析,推测鄯善原煤的处于中等变质程度,其类型属于以镜质体为主的腐殖型煤;成烃机理主要是长链烃断裂;由生烃机理推测其原煤的生气潜力大于生油潜力,其生气潜力碳主要为甲基单元.     

陕北侏罗纪富镜煤和富惰煤分子结构的FTIR，XPS和13C NMR表征

侏罗纪优质煤炭资源为煤制油、制气等清洁高效利用提供了丰富的物质基础,其显微组分以富集惰质组为特征,而镜质组与惰质组大分子结构在很大程度上决定了煤的物理化学性质和工艺性能,进而决定了煤炭资源的综合利用效率及附加值。采集并制备了陕北侏罗纪煤田小保当煤矿和柠条塔煤矿的原煤(XR)、富镜质组煤(XV、NV)和富惰质组煤(XI、NI)样品,利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、固体13C核磁共振谱(13C NMR)等手段,结合煤质分析结果,定量表征了不同显微组分富集物分子结构的差异。研究结果表明：XI和NI煤中芳烃结构芳环取代程度低,主要以3个相邻、4~5个相邻的氢原子形式存在,苯环上氢原子较少被其他官能团取代,同时其结构中芳烃C═C骨架振动明显,脂肪结构中亚甲基伸缩振动强度较低,并且甲基含量略高于富镜煤,C═O基团相对含量略高,表明富惰煤有较多含氧桥键相连的芳香结构,其结构中脂族链、脂环基团脱落、断裂以及芳烃富集,支链相对较少且长度较短,芳碳率、芳香度、芳环缩合程度及成熟度较高。XV和NV煤中表面结构中碳的赋存形态“C—C,C—H”,“C—O”的相对含量高于富惰煤,反映其结构中应含较多的芳环取代的脂肪族侧链,XI和NI煤表面结构中氧的赋存形态以“C—O”为主,“C═O”和“COO—”明显高于富镜煤。XV和XI煤的芳碳率分别为57.91%和66.02%,脂甲基碳分别为10.02%和7.84%,质子化芳碳为非质子化芳碳的两倍,XV煤的羰基和羧基碳相对含量较高,两者桥碳和周碳之比分别为0.25和0.40,芳香核结构平均缩合环数分别为2.68和3.03,平均尺寸分别为0.448和0.676 nm,XI煤结构中芳香核以萘和蒽为主,支链化度L_γ分别为0.22和0.19,表明XV比XI存在较多脂肪侧链、饱和环结构,生烃(油)潜力大。     

低煤级煤生烃与结构演化的耦合机理研究

应用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热解气相色谱(GC)对低煤级煤生烃过程中有机质结构演化进行表征,剖析了人工热演化过程中气态烃产率,解析了煤结构官能团的变化规律,揭示了低煤级煤生烃与结构演化的耦合机理。结果表明：煤热模拟产物主要为气态烃C_1-5,甲烷生成瞬时产率包含四个峰值,低煤级煤化学结构中含氧官能团和烷基侧链随煤化程度的增高以不同的速度发生脱落,随煤级的增加,其芳构化程度增大。分别对煤结构中的脂肪烃甲基、CO基、芳香烃芳核CC和烷烃结构上甲基、亚甲基进行表征。存在420 ℃温度转折点,之前吸收峰强度逐渐减小,之后又略有增大,揭示了低煤级煤三个主要结构演化阶段煤化作用机理,提出了低煤级煤生烃结构演化模式图。     

江西乐平晚二叠世煤成烃机理红外光谱研究

应用显微红外光谱技术,对江西乐平晚二叠世煤矿B₃煤层煤样在不同热模拟温度下的结构组成变化特征及规律进行了研究,结合镜下显微组分的观察和统计结果,剖析了乐平晚二叠B₃煤层煤的生烃机理,对该区煤成烃资源进行了初步评价。研究表明：煤化学结构主要由杂原子基团、脂族结构和芳香结构三部分组成,其活化能依次增加;煤成烃过程,是一种随着热演化程度的加深, 脂族侧链不断脱落,芳香结构不断缩聚,含氧基团逐渐断裂的过程;该煤层中含有的B型基质镜质体和树皮体都是很好的生烃显微组分,是该树皮煤生烃潜力巨大的主要原因。此特点对在华南地区寻找与富含“树皮体”煤系地层有关的油气资源并使“煤变油”产业化具有重要的意义。     

低阶煤热解结构演化及与烷烃气碳同位素相关性的红外光谱

为了阐释煤热解过程中结构演化与烷烃气碳同位素的关系,进行了低阶煤在高压釜密闭体系下热解实验,分析热解烷烃气碳同位素组成;借助傅里叶红外光谱(FTIR)精细剖析了煤结构演化规律,构建了烷烃气碳同位素组成与结构演化的关系模型,揭示了热解烷烃气碳同位素变化的原因。结果显示在R_{o, max}＜1.3%之前的阶段,煤中脂链轻碳同位素被分馏出去而重碳同位素被留在长链中;当1.3%＜R_{o, max}＜2.0%时, 具有相对较重碳同位素组成脂链再进一步的断裂分解仍主导了烷烃气碳同位素变化,也即是R_{o, max}在2.0%之前的阶段,煤中脂链倾向性的裂解方式是烷烃气碳同位素变化的主要因素;此后(R_{o, max}＞2.0%)由于芳环缩聚和解体进程的加剧使得环内重碳物质得以释放进入烷烃气中,而导致其碳同位素组成迅速变重。热解烷烃气中甲烷和乙烷碳同位素组成与煤脂链结构演化呈现同步性特征,δ13C_CH4和δ13C_C2H6值可以作为煤脂链结构演化的敏感性指标。R_{o, max}=1.3%和2.0%是煤热解结构演化与烷烃气碳同位素组成关联性的重要节点。研究成果对探索煤生烃与结构演化的耦合关系及二次生烃机理有理论意义。     

不同煤岩成分的焦煤萃取后FTIR特征研究

为了研究不同煤岩成分煤萃取后的化学组成变化特征,选取平顶山焦煤作为研究对象,采用四氢呋喃(THF)、二硫化碳(CS₂)、醋酸(HAc)等有机溶剂对煤样进行索氏萃取;借助于柱层析法、傅里叶变换红外光谱法等手段,对溶剂萃取后煤样的萃取率、族组分及特征官能团进行了计算和分析。研究表明：镜煤的萃取率最高,其次是亮煤、暗煤;相比而言,有机溶剂CS₂对煤样的萃取率最高,THF的萃取率高于有机酸HAc;萃取物中,镜煤、亮煤、暗煤的总烃类含量依次减小,非烃类组分含量依次增大,THF溶剂萃取后以沥青质含量最高,CS₂溶剂萃取后以饱和烃含量最高;镜煤的脂肪烃及含氧官能团含量最高,脂肪结构参数I₄最大,芳构化程度参数I₂最小,芳/脂比最小,而暗煤最大。萃取后,脂肪烃及含氧官能团含量较原煤均出现不同程度的减少,以镜煤最为明显,暗煤萃余物的芳烃含量最多,芳构化程度参数I₂最大,芳/脂比最大。其中,CS₂溶剂萃取后,煤中的富氧程度降低最为明显,而THF对与氢键缔合的-OH,-NH,酚类等官能团及脂肪烃溶解性最好。     

不同变质程度煤燃烧反应性及FTIR分析其热解过程结构变化

利用TG/DTA 6300的热重分析仪对胜利褐煤(SL)、神华烟煤(SH)与塔旺陶勒盖无烟煤(TT)三种不同变质程度的原煤进行空气气氛下燃烧反应;通过FTIR(傅里叶变换红外光谱)分析了三种煤样及不同终温下固定床热解半焦的官能团组成;运用数学高斯函数对FTIR曲线重叠吸收峰进行分峰拟合,利用拟合峰面积计算FTIR的芳香度指数(R)、芳香结构稠合指数(D)及有机成熟度指数(C)结构参数。结果表明： SL,SH与TT煤着火温度分别为299.3,408.2及441.0℃;最大失重速率峰温度分别为348.6,480.5及507.0 ℃,即随煤样变质程度的不同,着火点和最大失重速率温度都不同程度提高。煤中官能团结构较复杂,不同变质程度的煤样的红外光谱曲线中均可以观察到羟基(—OH);脂肪烃(—CH₂,—CH₃);芳环(CC); 含氧官能团(CO, C—O)等主要官能团的振动吸收峰。随着热解炼焦温度的升高,三种煤样中脂肪烃类(—CH₂—,—CH₃)红外振动吸收峰均逐渐减小;炼焦后CO在1 700 cm-1伸缩振动峰在炼焦温度到达550 ℃时基本消失;SL原煤样在1 000～1 800 cm-1 含氧官能团吸收峰区域红外曲线更为复杂,随炼焦温度升高较之其他煤样变化最为显著;而SH及TT煤芳环CC吸收峰在温变过程中峰位及峰强度均无显著变化。通过R,D及C值随热解终温的变化曲线,三种变质程度煤在热解反应过程中主体官能团变化趋势存在差异。     

氧化无烟煤的谱学研究

变质程度高、碳含量高的无烟煤是生产活性炭的主要煤种。无烟煤的结构特征在其材料方向开发利用中起着决定性作用,可以通过化学氧化的方法对煤的结构进行定向优化。以云南昭通地区天然高碳低灰无烟煤为原料,采用硝酸/硫酸酸浸氧化法制备了氧化无烟煤。使用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)对产物进行结构和谱学特征研究。结果表明, 无烟煤具有介于石墨和无定形碳之间的类石墨微晶结构;相较于烟煤和褐煤,无烟煤微晶堆叠高度(L_c)、微晶直径(L_a)较大,结构有序度介于低变质煤和石墨之间。无烟煤的氧化经过两个主要过程,微晶片层边缘被氧化卷曲破坏引起片层平均直径L_a减小。新的CO键在片层边缘生成,硫酸与硝酸进入片层边缘层间域。H₂SO₄和HNO₃作为插层剂进入无烟煤微晶碳中,层间距d₍₀₀₂₎由原煤的0.351 nm增长到了0.361 nm。原有的微晶片层被剥离开,微晶片层的堆叠层数,由6下降到4.5,Raman光谱中I_D1/I_G相较于原煤增大(1.9→2.0),G峰的半峰宽(FWHM)升高(63→68),D₂峰的强度提高(10.26→13.78)。大量新的—C—O—,CO和—NO₂键生成,富氧程度参数大幅提高(0.11→0.42)。经过混酸处理的氧化无烟煤,芳香度f_a提高,结构有序度降低,新增了大量反应活性点,在无烟煤基多孔炭材料开发等领域具有很大潜力。     

煤及其液化产物的~(13)C CP/MAS/TOSS NMR和ESR研究

研究煤及其液化产物的成分和含量的变化是控制煤液化工艺的的重要因素之一.该文章用元素分析,13C CP/MAS/TOSS NMR和ESR的方法分析了不同煤化度的6种原煤,结果表明,不同煤阶的原煤的结构存在较大的差异,原煤的芳香度随着含碳量的增加而变大,芳烃碳原子百分率随芳香度增大而增大,芳香度增大则自由基浓度增大,光谱分裂因子(Landeg值)减小;另外,通过对其中5种原煤及其在CO+H2O气氛下液化得到的产物的ESR分析,推测并验证了原煤在液化阶段中的反应机理,不同煤阶的原煤在反应过程中的变化有所差异,从中可以推测并得到了一些原煤结构方面的信息.     

阿扑西林结构确证的谱学研究

对青霉素类抗生素阿扑西林的红外光谱（IR）、紫外光谱（UV）、核磁共振氢谱（¹H NMR）、氢氢相关谱（¹H-¹H COSY）、核磁共振碳谱（¹³C NMR）、DEPT谱、碳氢相关谱（HSQC）、质谱（MS）进行了解析,对其所有的NMR谱信号进行了归属,同时讨论了质谱的主要碎片离子的可能的裂解方式和红外特征吸收峰所对应的官能团的振动形式. 通过多种波谱技术确证了阿扑西林的结构.     

中温沥青超声萃取物的热解特性与分子结构间关联性的FTIR解析

沥青分子结构和沥青热转化行为的调控是制备高品质沥青基炭材料的关键.为进一步明晰沥青热解行为与沥青分子结构间的关联性,选用8种有机溶剂对中温沥青(AGM P)在常温下进行超声萃取处理得到8种萃取物.利用PeakFit v4.12软件对各种萃取物的红外光谱吸收峰700～900,1000～1800,2800～3000和300...     

高硫肥煤碳结构研究与光谱学表征

煤结构是煤化学的重要研究内容,优质肥煤在我国属于稀缺炼焦煤种。碳是煤结构的基本骨架,是构成煤中有机质及形成焦炭的主要元素。研究高硫肥煤中的碳结构对认知肥煤结构与性质,提高低品质炼焦煤利用效率具有重要意义。采集并制备山东东滩（DT）和山西水峪（SY）、霍州（HZ）、高阳（GY）四个矿区的肥煤样品,利用X-射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及 X-射线光电子能谱（XPS）对煤中碳结构进行谱学表征和联合解析,结合煤质分析结果,计算不同肥煤样品的碳结构参数。研究结果表明：SY,HZ,GY和DT四种肥煤的芳香度f_a-XRD依次增大,芳香层片的延展度L_c和堆垛高度L_a依次减小,山西煤的芳香碳结构层片在排列规整度和芳香环缩合程度上强于东滩煤。DT和GY煤中芳香烃结构主要以苯环五取代、苯环四取代和苯环三取代形式存在,SY与HZ煤中芳香结构以苯环二取代和苯环四取代为主。DT和GY煤含有较多的支链和较高的芳环缩合度。四种肥煤中脂肪结构均是以亚甲基为主,DT,SY,HZ和GY煤的亚甲基占脂肪结构的比例分别为46.27%,48.89%,44.21%和41.85%,煤中含有较多的烷基侧链。GY与DT煤中甲基含量略高于次甲基,SY和HZ煤则相反,这主要与不同煤样在成烃期间长脂肪族结构发生断裂的程度有关。SY,HZ,GY和DT煤的芳碳率分别为0.83,0.81,0.74和0.68,芳氢率分别为0.51,0.43,0.34和0.29,煤中芳构化程度依次减小,芳香环缩合度依次升高。DT和HZ煤的氧化程度较高,DT煤含有较多的C-O结构,判断DT煤中存在较多不易被热分解或不易起化学反应的非活性氧。     

小型流化床内化学链热解煤焦油实验研究

为优化煤焦油化学链热解的工况参数,采用Fe/Al复合载氧体在小型流化床反应器内进行了煤焦油化学链热解实验,考察了燃料反应器温度、载氧体/煤焦油摩尔比及反应时间对热解结果的影响,对炭黑收率、气相产物的体积分数进行分析,并计算了实验系统的碳平衡及能量转化率。结果表明,炭黑收率随温度和载氧体/煤焦油摩尔比升高先增后减,在温度950℃和摩尔比3时达到最大,气相产物中CO和H2体积份额为70%左右,继续升高炉温和摩尔比会降低CO份额。系统碳平衡为95.5%以上,误差较小,则系统能量转化率最高可达到87%.通过表观气速变化改变反应时间从2.1s增大到3.5s时,炭黑收率及能量转化率无明显变化,由此确定了化学链热解煤焦油的优化运行参数.     

净化沥青的傅里叶变换红外光谱分峰拟合定量分析

高温煤焦油沥青是人造炭材料的优质原料。为了获得高品质人造炭材料,必须对原料沥青进行净化处理,使得净化沥青具有合理的分子量分布、较高芳香缩合度和适宜的脂肪族侧链结构,炭化后才能生成易于石墨化的趋于规整的碳微晶结构。分别以中温沥青和热聚合改性沥青为原料,采用两种净化分离处理方法,得到四种净化沥青(RP-1,RP-2,RP-3和RP-4)。以四种净化沥青的傅里叶变换红外光谱数据为基础,结合分峰拟合数学方法,准确获得了净化沥青的芳香性指数(Iar)、支链化指数(CH₃/CH₂)、OH官能团的存在形式及分布情况和其他基础官能团含量。由分析研究结果可知,四种净化沥青均具有较大的芳香缩合度。RP-3芳香性指数高达0.90,芳香缩合度最高。RP-4支链化指数仅为0.07,脂肪族侧链数量较多、碳链较长。四种净化沥青中OH官能团存在形式有明显不同。研究结果将为人造炭/石墨材料的原料优选提供理论支持。     

FTIR分峰拟合法定量分析精制煤沥青热转化过程的结构变化

精制煤沥青(QI＜0.2%)是制备煤系针状焦的原料，其热转化性质决定着所生产的煤系针状焦的质量。利用FTIR光谱及分峰拟合的方法考察了精制煤沥青在不同热转化温度下的结构变化。主要研究了芳香性指数(Iar)、支链化指数(CH₃/CH₂)、各基础官能团(C==O， C-O，芳环C==C)含量、芳环取代种类的变化情况。结果表明：精制煤沥青的Iar指数随着热转化温度的提高，逐渐变大，并且CH₃/CH₂指数逐渐增大，说明精制煤沥青热转化过程中支链的断裂形成活性位点是诱导芳香环增大的原因之一；随着热转化温度的升高，C==O含量由最初的26.25%降低为15.62%，芳环C==C含量由43.39%增加为51.28%，而C-O含量变化很少，说明C==O是诱导大分子芳环缩合反应的重要因素；精制煤沥青中芳环1H和3H含量随着温度升高逐渐减小，而4H含量逐渐升高，说明芳环取代逐渐减小，芳香性逐渐增加，与Iar分析结果相吻合。     

NMR在固体化石能源中的应用

综述NMR在固体化石能源的科学与技术领域中的应用,各种固态NMR技术,诸如CP、MAS、DD、DNP、TOSS、CRAMPS、NMRI等,均已用于表征化石能源的化学结构,其中以芳碳率与芳氢率作为结构多数最为重要。最近发展中的新方法,例如魔角慢转以及不同结合质子碳的谱编辑技术,展示了从核磁谱取得更多结构信息的前景,NMR可用于研究固体化石能源自然或人工热演化的机理;油气资源潜力的评价;煤在化学加工中性质的预测等。     

Characterization of Coal Tar Pitch Oils by Nuclear Magnetic Resonance

Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectrometry has been used to characterize coal tar pitch oils, which had been obtained from a low-temperature carbonization of high volatile bituminous coal. NMR provides data on hydrogen distribution in coal oils and structural correlations established on elution chromatographic, on distillation fractions, and on the residues remaining after distillation. This research is the first report on the hydrogen distribution of coal tar pitch oils by NMR.     

水溶性沥青分子结构的光谱解析

水溶性沥青是煤焦油沥青经酸氧化改质得到的水溶物含量大于70%的改性沥青，不仅兼有普通沥青的多环芳烃结构，同时表面结构中引入了大量含氧、氮、硫等极性官能团，可在水相中制备复合型炭材料。应用荧光、红外、紫外光谱及核磁共振技术并结合Yen-Mullins模型解析了混酸法制备的水溶性沥青的分子结构。结果表明：与中温煤沥青相比，主要杂原子N，O和S质量分数分别由1.06%，11.64%，0.79%增加到6.78%，29.59%，2.41%；O含量的显著增加，增强了沥青的亲水性。红外光谱体现了水溶性沥青的杂原子N，O和S以Ar-NO₂，Ar-OH，Ar-SO₃H和CO等形式存在；通过荧光发射光谱特征峰与Yen-Mullins模型对比，得出水溶性沥青的芳香结构主要是由3种稠环的“岛屿结构”芳香片段组成；1H-NMR和13C-NMR分析表明，水溶性沥青分子芳环侧链被氧化成仅含有1个C且链接不同官能团的脂肪碎片，该碎片与“岛屿结构”作为主要部分构成水溶性沥青分子的稳定结构。由此看出，元素分析结合红外光谱可从本质上解释水溶性沥青易溶于碱性水溶液的原因，荧光谱图与Yen-Mullins模型结合可从微观上解释水溶性沥青的主要结构，为判定不同性质的沥青提供一种方法。