吡啶抽提前后柳林3号煤的微观与聚集态结构特征分析.pdf
《吡啶抽提前后柳林3号煤的微观与聚集态结构特征分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《吡啶抽提前后柳林3号煤的微观与聚集态结构特征分析.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 48 卷增 1煤炭学报Vol.48Supp.12023 年4 月JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYApril2023吡啶抽提前后柳林 3 号煤的微观与聚集态结构特征分析李晋鲁1,相建华1,邓小鹏2,常天翼1,靳亮亮1,田书彰1(1太原理工大学 矿业工程学院,山西 太原 030024;2 山西能源学院,山西 晋中030600)摘要:煤是由不同组成和结构的有机物质相互作用而形成的复杂分子体系,不同组分的化学结构和空间排列控制形成煤的微观结构与聚集态结构特征,直接影响着煤的性质与利用。煤在第 2 次煤化作用跃变时,会伴随出现一系列独特的现象。为揭示这些现象的本质,需从分子角
2、度出发,了解该变质程度煤中不同组分的微观化学结构特征,以及由分子间相互作用、分子识别机制等控制所形成的不同组分内部、不同组分之间的聚集结构特征。研究选取处于第 2 次煤化作用跃变的柳林3 号原煤为实验对象,利用吡啶作为溶剂,对其进行索氏抽提,获取了原煤(YM)、抽提后残煤(CM)和抽提产物沥青质(LQZ)3 种样品。结合13C 核磁共振碳谱(13C NM)定量分析煤结构的碳骨架信息,利用激光拉曼光谱(aman)分析了煤中芳香层片结构的有序程度,采用高分辨透射电镜(HTEM)定量表征煤中芳香层片的条纹长度、取向和堆垛分布。结果表明:13C NM,aman 光谱与 HTEM 三种测试技术一致地印证
3、了柳林 3 号煤中,CM 芳香结构缩合度高且形成的缺陷少,脂肪碳结构则包含缩合度较高的脂环结构,脂环化与芳香化作用明显,这些分子在羟基 氢键等分子力作用下形成层片取向明显,堆垛规模较突出、有序度较高的聚集态结构。LQZ 结构主要为缩合度较低的芳香族结构、含氧官能团与脂肪链(含支链)碳结构,其部分条纹通过分子间相互作用与邻近 CM 层片排列为取向近似一致的弱有序聚集态结构。CM 与 LQZ 分子中丰富的脂环与支链化结构,推测是在第 2 次煤化跃变过程中与芳香体系直接相连的甲基大量断裂过程中形成,为CH4,H2等气体急剧增加提供了分子基础;这些支链、脂环类物质,阻碍了煤大分子紧密立体结构的形成,使
4、得处于该变质程度的煤具有最低的比重,同时也是后续煤化作用中煤进一步芳核化、缩聚化、石墨化的演化基础;LQZ 分子间、LQZ 与 CM 相分子间形成的氢键作用力是该煤形成高黏结性的分子基础。关键词:煤结构;抽提;微观结构;聚集态结构;黏结性中图分类号:TQ533文献标志码:A文章编号:02539993(2023)S1020910移动阅读收稿日期:20220329修回日期:20220609责任编辑:韩晋平DOI:1013225/jcnkijccs20220409基 金 项 目:国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(41572144,U1910204);山 西 省 应 用 基 础 研 究
5、基 金 资 助 项 目(201601D021137)作者简介:李晋鲁(1997),女,山西榆次人,硕士研究生。Email:lijinlu0604 linktyuteducn通讯作者:相建华(1977),女,山西榆次人,副教授,博士。Email:xiangjianhua tyuteducn引用格式:李晋鲁,相建华,邓小鹏,等 吡啶抽提前后柳林 3 号煤的微观与聚集态结构特征分析J 煤炭学报,2023,48(S1):209218LI Jinlu,XIANG Jianhua,DENG Xiaopeng,et al Microstructure and aggregate structure of L
6、iulin No3 coal afterpyridine extractionJ Journal of China Coal Society,2023,48(S1):209218.Microstructure and aggregate structure of Liulin No3 coal after pyridine extractionLI Jinlu1,XIANG Jianhua1,DENG Xiaopeng2,CHANG Tianyi1,JIN Liangliang1,TIAN Shuzhang1(1Department of Earth Science and Engineeri
7、ng,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030024,China;2 Shanxi Institute of Energy,Jinzhong030600,China)Abstract:Coal is a complex molecular system formed by the interaction of organic matter with different compositionand structure The chemical structure and spatial arrangement of different compon
8、ents control the microstructure and煤炭学报2023 年第 48 卷aggregation structure of coal,which directly affects the properties and utilization of coal A series of unique phenomenawill occur during the second coalification evolution In order to reveal the nature of this phenomenon,it is essential tounderstan
9、d the microscopic chemical structure characteristics of different components in coal with this metamorphic de-gree,as well as the aggregation structure characteristics within and between different components controlled by inter-molecular interaction and molecular recognition mechanism The Liulin No3
10、 raw coal,which is in the second coalifica-tion evolution,is selected for the study,and three samples of raw coal(YM),post-extraction residual coal(CM)andextraction product asphaltene(LQZ)are obtained by soxhlet extraction using pyridine as the solvent Combinedwith13C Nuclear Magnetic esonance carbo
11、n spectroscopy(13C NM)to quantify the carbon skeleton informationof coal structure,the laser aman spectroscopy(aman)is used to analyze the degree of order of aromatic lamellaestructure in coal,and the High esolution Transmission Electron Microscopy(HTEM)is used to quantitatively char-acterize the fr
12、inges length,orientation and stacking distribution of aromatic lamellae in coal The results show that13CNM,aman spectroscopy and HTEM have confirmed that the aromatic CM structure in the Liulin No3 coal hada high degree of condensation and fewer defects,while the aliphatic carbon structure had a hig
13、h degree of condensa-tion,and the aliphatic cyclization and aromatization were obvious Under the action of molecular forces such as hydrox-yl hydrogen bond,these molecules had obvious cambium lamellar orientation,prominent stacking scale and high or-der aggregation structure LQZ structure was mainly
14、 composed of some aromatic structures with low condensation de-gree,oxygen-containing functional groups and aliphatic chain(including branched chain)carbon structures,and someof its fringes were arranged into weakly ordered aggregation structures with approximately the same orientation with ad-jacen
15、t CM layers through intermolecular interaction The abundant aliphatic rings and branched structures in the CMand LQZ molecules are speculated to have been formed during the massive fracture of methyl groups directly connectedwith the aromatic system during the second coalification evolution,which pr
16、ovides the molecular basis for the rapid in-crease of CH4,H2and other gases These branched chain and alicyclic substances hindered the formation of a compactspatial structure of coal,causing coal at this coalification stage to have the lowest specific gravity At the same time,itwas also the evolutio
17、n basis for further aromatic nucleation,polycondensation and graphitization of coal in subse-quent coalification The hydrogen bonding force formed between the LQZ molecules and between the LQZ and CMphase molecules was the molecular basis for the high cohesiveness of the coalKey words:coal structure
18、;extraction;microstructure;aggregation structure;cohesiveness煤是由许多不同组成和结构的有机物质相互作用而形成的复杂分子体系1。作为自然界最为复杂的物质,煤结构的研究充满机遇与挑战。这一基础科学问题的认识深化和突破,直接关系煤高效清洁利用技术与煤层气储层工程的变革。随着软件和技术的发展,许多现代分析技术被应用于研究复杂化学结构变化的新信息,为煤分子组成与结构的精细刻画及非均质性特征的表征提供直接的信息,如固态13C 核磁共振(13C NM)、激光拉曼光谱(aman)、高分辨率透射电镜(HTEM)等。其中,13C NM 被认为是近年来研
19、究有机材料最有效的分析手段。文献 25应用13C NM 测定煤的结构参数,探讨煤的含碳化学结构特征及其演化规律。aman 光谱是近几年发展较迅速的一种分子光谱微区分析技术之一,可用在材料分子的定性鉴定和结构分析,故而广泛应用在材料、地质领域6。文献 712 应用 aman 研究了热解过程中,不同镜质组反射率的煤样结构随温度发生的变化。HTEM 可直接反映纳米级晶体的微观结构特征,是材料内部结构图像采集的一种有效方法。文献 1317利用 HTEM 图像提取煤的芳香晶格条纹,获得煤中芳碳官能团的结构与空间信息,为研究煤化过程和建立更精确的 3 维煤分子结构提供有效途径。煤在 Cdaf=87%,Vd
20、af=29%,om=13%附近出现第 2 次煤化作用跃变,并伴随出现一系列独特的现象。C 的质量分数约为 87%的煤,具有最好的结焦性、丰富的小分子相物质组成、煤化作用过程中生成的 CH4,H2和总烃由缓慢增加变为线性急剧增加趋势18。要揭示上述现象的本质,需要研究该变质程度煤中不同组分的微观化学结构特征,以及由分子间相互作用、分子识别机制等控制所形成的不同组分内部、不同组分之间的聚集结构特征。溶剂萃取是研究煤结构和组成的有效方法之一。1985 年,IION19 发现 CS2/NMP 混合溶剂对某些烟煤具有高达 70%以012增刊 1李晋鲁等:吡啶抽提前后柳林 3 号煤的微观与聚集态结构特征分
21、析上的“溶解”性能。之后,众多煤化学家围绕煤萃取物的组成结构、溶剂间的协同作用、煤阶和煤岩组分对萃取率的影响等2021 进行了实验研究。2004 年,QIN 等22 提出了 CS2/NMP 溶剂为主的萃取反萃取,将煤中不同黏结能力和成焦特性的组分加以成功分离,证实了 CS2/NMP 混合溶剂对烟煤的高萃取率,不是因为分子水平上可溶物的溶解,而是微纳颗粒在混合溶剂中的悬浮,提出煤中小分子以游离态、微孔嵌入态和网络嵌入态 3 种形态存在并构建了煤嵌布结构模型23。上述研究成果对于研究煤中不同组分的微观组成、协同作用奠定了良好的基础,aman,H-TEM 等手段则可以为该领域的研究提供更详细、直接的
22、证据。因此,笔者采用处于第 2 次煤化作用跃变过程中的柳林 3 号原煤(Cdaf=87%,Vdaf=29%,om=13%)为研究对象,吡啶作为溶剂,进行索氏抽提,并将抽提前原煤(YM)、抽提后残煤(CM)和抽提产物(LQZ)3 个样品分别进行13C NM,HTEM 及aman 测试,获得其不同组分的微观化学结构特征及不同组分中芳香层片的取向排列、堆垛等聚集态结构特征。1样品与实验1.1样品制备实验煤样采自鄂尔多斯聚煤盆地东缘河东煤田柳林沙曲煤矿 3 号煤层。采样方法遵照国标(GB/T 4822008),采集样品后,立即装入采样袋中并密封,粉碎研磨过 200 目筛,105 真空干燥 8 h,得到
23、YM 样品,放入样品袋中进行后续实验和测试。对样品镜质组反射率的测定依据国家标准执行,测出样品镜质体反射率为 138%。对 YM 用吡啶溶剂进行索氏抽提,取真空干燥后的 200 目煤样约 30 g 装入滤纸套,然后放入索氏抽提器的提取管中,在平底烧瓶中加入 100 mL 吡啶,恒温加热直到回流液变为淡黄色时停止抽提;从瓶底烧瓶中取出吡啶溶剂,用旋转蒸发器蒸发;将剩余的吡啶抽提物(LQZ)和残煤(CM)干燥、称重并储存以备试验。根据式(1)计算煤样的一次溶剂的抽提率24 为 1035%。=100m1m(100 Aad Mad)/100(1)式中,为抽提率,%;m1为抽提物质量,g;Aad为空气干
24、燥基灰分,%;Mad为空气干燥基水分,%;m 为原煤样的质量,g。1.213C NM 测试3 种样品的测试仪器为 Varian INOVA 300 超导核磁共振谱仪。参数设置:32 mm 双共振 MAS 探头,外径 6 mm 的 ZrO2转子;13000 Hz 的旋转魔角转速;采样工作时间:005 s;脉冲宽度:42 s;循环延迟时间为5 s,扫描时间为2 0004 000 次;7543 MHz的碳信号检测共振频率。交叉极化技术接触时间:5 ms,频谱宽度:30 000 Hz。用于定量非质子化和质子化芳香碳。1.3aman 光谱测试3 种 样 品 的 aman 光 谱 实 验 是 在 英 产
25、的enishaw 的 inVia 激光共聚焦 aman 光谱仪上进行,20 mW 的激光输出功率,辐照样品表面上功率为1 mW,Ar+激发,波长 532 nm 激发线。为避免激光破坏,选取大于碳的晶格尺寸的直径为 45 m 的激光光斑。扫描范围为 100 3 400 cm1,覆盖了整个一级、二级频谱,每个频谱的采集时间约 60 s,探针系统的连续扫描分辨率为 1 m。每个测试点选取 4 个不同位置的煤样进行,然后将测量研究结果分析平均。1.4HTEM 测试及图像处理使用日本 200 kV 的 JEM2010 型高分辨率透射电 子 显 微 镜,加 速 电 压 200 kV,点 分 辨 率 为01
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 吡啶 提前 柳林 微观 聚集 结构 特征 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。