第八章煤的化学结构及其研究方法(2)

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
(1)次甲基键:-CH2-、-CH2-CH2-等; (2)醚键、硫醚键: -O-、 -S-、 -S-S-等;
(3)次甲基醚键和次甲基硫醚键:-CH2-O-、 -CH2 -S-等;
(4)芳香碳-碳键:Car-Car 在褐煤和低煤化度烟煤,主要存在前三种,尤以
长的次甲基键和次甲基醚键为多,中等煤化度烟煤桥 键数目少,主要键型为-CH2-和-O-;至无烟煤桥 键又有所增多,键型以Car-Car为主
煤中可能存在的氢键结构示意图
煤大分子结构的现代概念示意图
2.3 煤的结构模型
(1)、化学结构模型 (2)、物理结构模型 (3)、综合结构模型
一 煤的化学结构模型 ——根据煤结构的
碎片特征信息和分子成键的知识构造的反映有机质主要特征的模型
✓ Fuchs结构模型 ✓ Given结构模型 ✓ Wiser结构模型 ✓ 本田结构模型 ✓ Shinn结构模型
振动峰的倍频或组频(弱) 氢键缔合的-OH,-NH;酚类
芳烃CH CH3不对称伸缩振动 环烷烃或脂肪烃CH3
羧基
芳香烃,主要是1,2-取代和1,2,4-取代
羰基 氢键缔合的羰基;具-O-取代的芳烃C=C
大部分的芳烃 -CH2和-CH3,无机碳酸盐
-CH3 酚、醇、醚、酯的C-O
灰分 1,2,4-;1,2,(3)4,5-取代芳烃CH
批评和质疑
Given认为从基本分析参数可提出很多模型,本类模型不能反映真 实结构,仅反映科学家的个人偏好,也不足以反映煤的结构差异, 无法解释一些新的实验结果,如
➢ H NMR发现煤中质子的驰豫时间有快慢两类型,显证煤中 存在两种不同的结构;与本模型相矛盾
✓ 无法解释煤在有机溶剂中的溶胀现象和在特定溶剂中的高 抽提率等
1000
800
2
600
400
1
200
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80
2θ(°)
1200
b
1000
3-SI
4-SV
4
800
3
600
400
200
0
0
10 20
30
40 50 60 70
80
2θ(°)
(1)脂肪侧链的链间距: d 2sin
(2)芳香环层片的层间距: d002 2sin002
金刚烷结构模型 ——根据次氯酸钠氧化煤的试验结果提出
C10H16
特点:认为煤基本不是芳香结构,而是一种特殊的聚金刚烷结构,即与
金刚石相似而不与石墨相似。金刚烷十分稳定,但煤在加氢液化条件下却 发生强烈降解,故煤中存在此结构是完全可能的,但整体都是这种结构没 有足够依据
按经典化学方法被描述为原子、化学键和官能团的组合, 直观地展示煤结构的可能形式,并解释了一定的反应现象
2.2.2 煤中的官能团分布
➢ 含氧官能团
-OH(羟基):主要是酚羟基,醇羟基很少。存在于泥炭、褐 煤和烟煤中,是烟煤的主要官能团
-COOH(羧基):在泥炭、褐煤和风化煤中褐煤特性官能团, 烟煤中几乎不存在,酸性比乙酸强
>C=O(羰基):从泥炭到无烟煤都含有羰基,煤化度高的煤中, 大部分以醌基形式存在
1.0-1.9 0.5-1.0
Β-CH3,CH2 and CHγ or further from an aromatic ring CH3γ or further from an aromatic ring
(3)统计结构解析方法 —— D W
Krevelen(荷兰)首先将统计结构解析法引入煤的结构研究,创立煤 化学结构的统计解析法
100-129 129-137 137-148 148-165 165-190 190-220
主要归属 脂甲基 芳甲基 和脂甲基相连的亚甲基 亚甲基 季碳、次甲基碳 甲氧基及氧接亚甲基碳 氧接次甲基碳 环内氧接脂碳 质子化芳碳 桥接芳碳 侧支芳碳 氧取代芳碳 羧基碳 羰基碳
氢类型 Har HOH HF Hα Hn
微 晶 结
(3)芳香环层片堆砌高度:
Lc
K1 002 cos002
构 参
(4)芳香环层片堆砌层数:
Me
Lc d 002

(5)芳香环层片的平均直径:
La
K2 100 cos100
(6)芳香度:
fa
CA C
A002 A002 A
8.2 红外光谱在煤结构研究中的应用
1-PI 2-PV 3-SI 4-SV
煤田地质学
煤的化学结构概念及其研究方法
(1)碎片信息重组法
方法 (2)物理仪器直接分析法 (3) 统计结构解析法
(4)计算机模拟技术
(1)碎片信息重组方法
碎片信息重组法
物理化学研究方法
化学研究方法
溶剂抽提
吸附性能 氢 加 卤 解 热 烷 官
化氢化聚解基能
化团
普特超热加 通定临解氢
分 解
抽抽界抽抽
2.2 煤的基本结构单元
煤的基本结构单元由三个层次部分组成:基本结 构单元的核、核外围的官能团和烷基侧链以及基 本结构单元之间联结的桥键
2.2.1 基本结构单元的核
褐煤
次烟煤
高挥发分烟煤
石墨
无烟煤
低挥发分烟煤
Proposed structual models of carbons consisting of six memberd rings
➢ 应用结构解析法的原理,根据煤的加和性质与 结构的内在联系,在不使煤质发生破坏的前提 下,通过统计计算和图解,求取平均结构单元 的结构参数,并根据煤的结构性质对计算结果 进行校正,来定量地描述煤的结构特征
煤的结构参数
1.不同仪器测试方法得到的相应结构参数 2.教材上所列举出的
(4)计算机模拟技术
➢ 类似于聚合物的聚合单体,分规则和不规则两部分
规则部分由几个或十几个苯环、脂环、氢化芳香 环及杂环(含氮、氧、硫等元素)缩聚而成,称 为基本结构单元的核或芳香核
不规则部分是连接在核周围百度文库烷基侧链和各种官 能团
➢ 随着煤化程度的提高,构成核的环数增多,连接在 核周围的侧链和官能团数量则不断变短和减少
合物
➢ 煤中低分子化合物分两类—— 烃类和含氧化合物
➢ 存在一些分散着独立的非芳香化合物,常称低 分子化合物
➢ 低分子化合物与煤大分子主要通过氢键和范德 华力结合
来源于成煤植物(如树脂、树蜡、萜烯等) 成煤过程中形成的未参与聚合的化合物以及形
成的低分子聚合物
➢ 煤中低分子化合物分两类—— 烃类和含氧化 合物
1,4-取代芳烃CH 1,2,4-(1,2,3,4,-)取代芳烃CH
1,2-取代芳烃 单取代芳烃或1,3-取代芳烃CH,灰分
8.3 13CNMR研究煤的结构
不同煤化度煤的 13C CP/MAS NMR图谱
化学位移(ppm) 14-16 18-22 23 33 36-50 50-60 60-70 75-90
➢ CAMD (计算机辅助分子设计)方法 ➢ 采用异构体发生器计算程序 ➢ 最小能量构型计算法 ➢ 量子化学计算法
2 煤的化学结构
2.1 煤化学结构的基本概念
2.1.1 煤化学结构的相似性 定义?相似性表现在那几方面?
2.1.2 煤的高分子聚合物特性 表现在:(1)相对分子质量大; (2)具有聚合结构; (3)可发生降解反应; (4)可发生解聚反应。
二 煤的物理结构模型 ——高分子物理化学的应用
Hirsch模型 交联模型 两相模型 缔合模型 其它网络模型
— Cody的刚性链模型 — Painter的离子聚合物模型
Hirsch模型 ——1954年P B Hirsch根据XRD结果提出
特点:直观,解释了不少现象;但“芳香层片”含义不确切,也未 能反映煤分子构成的不均一性
Hβ Hγ
化学位移(ppm) 6.0-9.0 5.0-6.0 3.4-4.5 1.9-3.3
1.6-2.0
主要归属 Aromatic Phenolic Ring-joining methylene Ar-CH2-Ar CH3,CH2 and CHαto an aromatic ring CH2 and CHβto an aromatic ring (including tetralin and indan structures)
还有胺基、亚胺基、腈基等
2.2.3 烷基侧链
➢ 烷基侧链:主要为甲基、乙基、丙基等基团,烷基侧链
的平均长度随煤化程度提高而迅速缩短。
烷基侧链的平均长度
Cdaf %
侧链的长度 (碳原子数)
65.1
74.3
80.4
84.3
5.0
2.3
2.2
1.8
2.2.4 桥键
桥键:煤的大分子是由若干基本结构单元连接而成,结 构单元之间的连接是通过桥键联结。
-OCH3(甲氧基):存在于泥炭和软褐煤中,消失比羧基还快 -O- : 年老褐煤中占优势,以醚键的形式存在
煤中含氧官能团的分布与煤化度的关系
煤中的杂原子
➢ 含硫官能团
硫 醇(R—SH) 硫 醚(R—S—R’) 二硫醚(R—S—S—R’) 硫醌 杂环硫
➢ 含氮官能团
主要以六元杂环、吡啶环或喹啉环等形式存在
Given模型
——1960年,P. H. Given
(英)首次提出当时获公认的“结构单元” 模型
C 82%
特点:低煤化度烟煤,首次提出煤具有三维空间结构,主要是萘环以脂环互联, 分子线性排列构成折叠状的无序的三维空间大分子;存在各种官能团、氢键和 含氮杂环;加强了氢化芳环结构,在煤液化过程初期具有供氢活性
Wiser模型—— 1975年,W H Wiser(美)
特点:引入了用以解释煤热解、加氢、氧化等化学反应的弱键和桥键,较为全面和合 理
Wiser模型:认为是比较全面合理的一个模型, 该模型也是针对年轻烟煤(碳含量82%~83%), 它展示了煤结构的大部分现代概念,可以合理解 释煤的液化和其他化学反应性质。缺点是没有考 虑小分子化合物。
本田模型
特点:考虑了低分子化合物的存在,缩合环以菲为主,由较长的次甲基键相 连接;但没有考虑氮和硫的结构
Shinn模型 —— 1984年,J H
Shinn根据一段和两段液化产物分布提出的, 又称反应结构模型,目前广为接受
C661H561N4O74S6
MG= 10023
特点:以烟煤为对象,分子量1万为单位。假设:芳环或氢化芳环由较短的脂链和醚 键相连,形成大分子聚集体,小分子相镶嵌于聚集体孔洞或空穴中,可通过溶剂溶解 抽提出来。受液化过程中溶剂作用的影响,没有表示出煤中存在的低分子化合物
Fuchs模型
——20世纪60年代以前的代表模型。由 W.
Fuchs(德)提出, 1957年经Van Krevelen修改
特点:二战前,以化学研究方法为主,仅获得一些定性的概念,可用于建模的 定量数据很少。采用“统计结构分析” 方法,第一次突破。定量描述了煤 结构中的芳香和脂肪簇,并首次引用X射线分析和红外光谱的结果来证明其 结论。特点是具有很大的蜂窝状缩合芳香环 ——比较片面,不能全面反映 煤结构的特征
(1)敞开式结构: 属于低煤化度烟煤,其特征是芳香层片小,不规则的“无定形结构”
比例较大。芳香层片间由交联键连接,并或多或少在所有方向上任意取 向,形成多孔的立体结构。
2.3 煤中的低分子化合物
煤中低分子化合物主要是指游离或镶嵌在煤大分子主体结构 中的一些相对分子质量小于500的有机化合物。
➢ 存在一些分散着独立的非芳香化合物,常称低分子化合物 ➢ 低分子化合物与煤大分子主要通过氢键和范德华力结合
来源于成煤植物(如树脂、树蜡、萜烯等) 成煤过程中形成的未参与聚合的化合物以及形成的低分子聚
Wavenumber(cm-1)
波数,(cm-1)
>5000 3300 3030 2950(肩) 2920~2860 2780~2350
1900 1780
1700 1610 1590~1470 1460 1375 1330~1110 1040~910 860 833(弱) 815 750 700
归属
提提抽提提

(2)物理仪器分析方法
图谱分析
8.1 XRD研究煤和碳的结构
三种煤的XRD谱图 1-C 94% ; 2- 89%; 3-78%
烟煤显微组分的XRD谱图
1-惰质组 ; 2- 镜质组; 3-壳质 组
强度单位(cps) 强度单位(cps)
1800
a 1600 1-PI
1400
2-PV
1200
1
2 3 4
4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400
Wavenumber(cm-1)
煤的FTIR图谱
Absorbance/%
1.2 LWI HMI SDI PSI
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2 PSV SDV LWV
0.0 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
相关文档
最新文档