用XPS研究胜利褐煤中有机氧的赋存形态

用X光电子能谱法(XPS)研究了我国内蒙古胜利煤田褐煤中有机氧的赋存形态。该方法将褐煤中有机氧分为3种类型，碳氧单键类(包括醚键和羟基)、羰基基团和羧基基团。将XPS与元素分析法结合分析，最终得到不同形态的含氧官能团在褐煤中的绝对含量，这些结果有助于今后研究煤炭分子结构以及新的脱氧方法在煤炭液化中的应用。     

用X-射线能谱(XPS)和二次离子质谱(SIMS)分析法研究烟煤镜质组低温氧化过程初探

研究了两种澳大利亚烟煤(悉尼盆地,Greta和Whybrow煤层)镜质组煤样的表面氧化过程.将煤样在空气中进行热处理,温度在20～120℃之间,试验时间为370 d.X-射线能谱(XPS)和二次离子质谱(SIMS)的分析结果清楚表明在不同氧化条件下,煤表面有机物中含氧官能团发生了明显变化,得到的氧化产物包括含有羟基或醚键、羰基、羧基等的化合物.氧化温度的提高,加速了羧基官能团的形成.研究发现,煤表面羧基官能团含量可用来评估低硫烟煤氧化程度.这将有利于选煤技术的研究.     

汾西炼焦煤中含氧官能团分布特征

研究炼焦煤中含氧官能团分布特征是认知煤结构及其反应性的重要途径。以山西汾西矿区炼焦煤为研究对象,通过煤中氧结构和碳结构XPS谱图的拟合分峰和联合解析,表征汾西炼焦煤中含氧官能团的主要类型及含量,利用煤中含氧官能团和羟基基团的FTIR谱图解析,定量分析煤中羟基和醚键的赋存,掌握煤中羟基结构的分布特征。结果表明:羟基、羧基和羰基是汾西炼焦煤中的主要含氧官能团,羟基基团含量最高,占煤中氧含量的近一半,羧基和羰基次之,醚键含量较少。羟基主要以与煤中芳香环上的π电子形成的羟基π氢键形式存在,其次是自缔合羟基氢键和羟基醚氢键,煤中的游离羟基很少。多聚体是汾西炼焦煤缔合结构的具体表现。     

利用XPS研究低温干燥脱水过程中煤的氧化规律

采用低温对流脱水工艺对神华集团金烽煤矿的高含水低变质程度煤进行干燥,实验研究了煤在脱水过程中被热空气氧化的规律并优化出最佳的干燥工艺条件。采用XPS对脱水前后的煤样表面碳元素的价态进行分析,结果表明:用170℃热空气脱水10min可将煤的全水分从30%降至15%以下,低位发热值从18.63MJ/kg提高到23.51MJ/kg;随着热空气温度的升高和脱水时间的延长,煤的脱水活化能增加,吸氧增重活化能降低,煤样表层碳元素的C-H/C-C键比例逐渐减少,而氧化产物C-O键和羰基逐渐增多,煤氧复合反应的速度逐渐加快,煤在脱水过程中的氧化程度加深,自热和自燃的倾向性增强。     

微波脱硫中有机氧赋存形态的XPS分析

采用X射线光电子能谱(XPS)法分析了微波脱硫前后山西某矿高硫煤中有机氧(COO、C=O和C-O等)赋存形态的变化。研究结果表明:脱硫后煤样的O含量由17.97%上升至24.39%,C含量由70.49%下降到58.05%,同时n(O)/n(C)由0.26增至0.42。脱硫前后C1s图谱的拟合数据表明:煤样中C-H、C-C和C-O单键的含量分别从41.41%和28.74%下降到35.54%和7.10%,羰基和羧基含量分别由0.11%和0.21%增至10.38%和5.03%。     

蒙东后侏罗纪褐煤煤岩组分表面形态及官能团分析

应用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱研究蒙东后侏罗纪褐煤腐植组和惰质组的表面形态及主要官能团。结果表明,腐植组颗粒表面整体较为均匀,周围有许多离散的粉末,主要为黏土矿物。惰质组表面粗糙不平,部分具有植物纤维状结构,主要含有黏土矿物和硅酸盐矿物。腐植组和惰质组C原子的四种存在状态大致相同,然而相对含量存在较大差异。腐植组中C-C/C-H的含量比惰质组低,而酚碳或醚碳(C-O)的含量比惰质组要高得多,说明蒙东后侏罗纪褐煤腐植组的芳香度比惰质组的高。惰质组中羧基(O=C-O)和羰基 (C=O)含量都高于腐植组。两种显微组分中氧的赋存状态主要以是酚羟基氧和醚氧键氧的形式存在,无机氧和吸附氧的含量均较少。惰质组中硫含量较少可忽略不计,脂肪族硫是腐植组中硫的主要存在形态,噻吩型硫含量极少。以上研究结果有助于充分认识蒙东后侏罗纪褐煤显微组分结构和性质差异,为煤岩显微组分浮选分离提供依据。     

屯兰2~#残煤模型构建及量子化学模拟

TLR结构模型中芳香部分以蒽环为主,含有少量萘环和苯环,脂肪结构以甲、乙基等脂肪侧链和环烷烃为主,含氧官能团有酚羟基和羰基2种形式。量子化学模拟结果表明脂肪烃的键长较长、键级较小并带有数目较大的负电荷因此化学活性高,苯环使周围结构单元的稳定性增强,与羰基相连的碳碳单键反应活性明显增强。     

基于量子化学的碳原子吸附对煤系黄铁矿表面疏水性影响的研究

与黄铁矿硫共生的碳质提高了煤系黄铁矿在煤泥浮选过程中的可浮性,为了降低煤系黄铁矿的可浮性及脱除精煤中的黄铁矿,分析煤系黄铁矿碳质中碳元素的存在形式及其与疏水性关系的机理具有重要的意义。采用微量热仪和扫描电子显微镜比较了中国典型矿区的矿系黄铁矿和煤系黄铁矿的润湿热及表面碳质中碳元素含量差异,试验结果表明:与矿系黄铁矿相比,各煤系黄铁矿的润湿热绝对值均较小,碳质中碳元素含量较高,导致疏水性可能因表面吸附碳原子而较强。采用基于密度泛函理论(DFT)和平面波赝势的方法模拟了水分子在理想黄铁矿表面及含碳原子吸附的黄铁矿表面的吸附过程并计算了水分子的吸附能、键Mulliken布居及键长、电荷密度及电子态密度。计算结果表明:与理想黄铁矿表面相比,水分子在含碳原子吸附的煤系黄铁矿表面的吸附能由负值变为正值,吸附碳原子处的黄铁矿表面变成疏水性,黄铁矿表面铁原子的3d轨道先与碳原子的2p轨道形成强烈的Fe—C键,碳原子的2p轨道再与水分子中氧原子的2p轨道形成微弱C—O键,因C—O键作用微弱导致碳原子的吸附不利于水分子在黄铁矿表面的吸附,从量子化学的角度揭示了煤系黄铁矿表面吸附碳原子后对其疏水性影响的机理。     

煤的元素分析与工业分析关系的逐层分析与模型构建

以123个煤样的元素分析和工业分析数据为研究对象,采用多元线性回归方法逐层分析了煤元素分析与工业分析的关系,进而构建了相应的数学模型,并检验了模型的适应性。研究结果表明,煤热解后,碳元素主要存在于固定碳中,挥发分中虽含有碳元素,但其含量远小于固定碳中的碳元素;在热解过程中,煤中的氧元素主要以CO和CO_2的形态选出而集中于挥发分中,固定碳中虽含有氧元素,但其含量远小于挥发分中的氧元素;热解后煤中的碳元素、氢元素和氧元素协同存在于挥发分和固定碳中,且由于这3种含量不同而导致协同效果产生差异;灰分与煤中的碳元素、氢元素和氧元素的关系实际反映的是煤中可燃物与可燃物中碳、氢和氧的关系,基于煤元素分析与工业分析关系逐层分析所提出的预测模型均具有较好的适应性。     

褐煤氧化升温中含氧基团的变化规律

煤分子中的含氧基团是发生煤氧复合反应,引起煤炭自燃灾害的关键因素。通过原位傅里叶红外光谱试验,对褐煤氧化升温过程中的含氧基团变化进行了定性和定量分析,研究煤氧复合反应过程中含氧基团的变化规律。结果表明:低温氧化过程中,褐煤中羟基含氧官能团是参与早期30℃～80℃范围煤氧复合反应的关键含氧官能团,含氧官能团中其化学活性最高,特征吸收峰强度下降幅度最大,220℃时,下降幅度超过了70%;羧基、羰基、脂肪醚基和芳香醚基等4类含氧官能团含量随温度升高而升高,上升幅度依次:羰基羧基脂肪醚芳香醚。煤氧复合反应的低温阶段20℃～220℃为高温阶段积累了大量的羧基、羰基化合物等中间过渡产物。