1煤大分子结构模型

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1、煤的结构模型及研究方法陈晨（西北大学化T.学院，陕西宵西安市碑林区，710069）摘要从煤大分子结构模型、分子间结构模型和复合结构三个模型对煤的模型进行介绍，并总结了煤结构研究的三种方法及思路。关键词煤，结构，模型中图分类号TQ53O煤是巾具有多种结构形式的有机物和不同种类的矿物质组成的浞合物。煤结构的研究一直是煤化学研究的主要课题。多年来，国内外在这方面的研究很多，并且提出了一系列的物理、化学和综合结构模型。本文归纳总结了煤的结构模型以及其相关研究方法。一、煤结构模型煤的结构模型是根据煤的屮参数进行推断而建立的，用以表示煤平均化学结构、物理结构和综合结构。目前不同研究者从不同应用背

2、景和煤的结构参数山发，提出了一系列煤结构模型。1.煤大分子结构模型1）Krevelen模型（1954）:这一模型在60年代以前具有代表性，当时曾被许多研宂者认为最为合理。其特点是缩合芳环数多，，最大部分有n个苯环。2）Given模型（I960）:这一模型基本反映了年轻烟煤中没有大的稠环芳香结构（主要为蔡环），无醚键和含硫结构。3）Wiser模型（1975）:这一模型可以解释煤的液化与化学反应性质，也被认为是比较企面、合理的模型。4）Shinn模型（1984）:它是Shinn根据煤在一段、二段液化过程的产物分布提出的，所以又称为煤的反应结构模型。2.煤分子间构造模型1）Hirsch模型

3、（1954）:它是根据x射线衍射研究结果提出的。其特点是比较直观地反映了煤化过程中的物理结构变化，具有代表性并广为引用。2）Riley模型（1957）:即乱层结构模型（turbostraticlamellar），根掘Warren的研宄结果，这一模型对煤、炭等高碳物料都适用。3）交联模型（W82）:它是由Larsen等人提出的。交联键的存在可以解释煤不能完全溶解的原因。这一模型后來得到了一系列的改进和发展。4）两相模型或主一客（host-guest）模型（1986）:它是由Given等根据NMR氢谱发现煤屮质子的弛豫时间有快慢两类而提出的。某屮大分子网络为固定相，小分子则为流动相。5）

4、缔合模型（1992）:它是由Nishioka提出的。这一模型指出了煤中的分子既有共价键合（交联），也有物理缔合（分子间力）。缔合模型实质上与两相模型类似。在这些模型中，尤以Hirsch模型和两相模型最具有代表性。3.煤结构的综合模型这类模型同时考虑了煤的分子结构及其空间构造，也可理解为煤大分子结构模型与分子间构造模型的组合，它是近年来煤结构模型的特点。1）Oberlin模型（1989）:它是Oberlin用高分辨透射电镜（TEM）研究煤结构后提出的。其特点是稠环个数较多，最大有8个苯环。近似于Krevelen模型与Hirsh模型的组合。但它过于强调了Co卟啉的存在。2）球（Spher

5、e）模型（1990）：它是Grigoriew等用x射线衍射径向分布函数法研究煤的结构后提出的。其最大特点是首次提出煤中具有20苯环的稠环芳香结构。这一模型可以解释煤的电子谱与颜色。二、煤结构的研究方法从研究方法上看，归纳起来有物理化学方法、化学方法和物理方法。1.物理化学研究方法溶剂抽提法、吸附法和物化特性法等属于此类方法。溶剂抽提法是研究煤的组成、结构的最早方法之一。抽提的目的是在基本上不破坏煤有机质结构的情况下，研宂各种溶剂抽出物及其残渣的组成、结构和性质，用来推测煤大分子的组成和结构。原理是利用溶剂的授、受电子能力使小分子相释放出来的过程，通过逐级抽提，分析抽提可溶物与不溶物，

6、找出它们与煤结构之间的关系，提出相应的煤结构模型。该法主要用来研宄泥炭、褐煤的化学组成。煤具有一定的孔隙结构，所以它有一定的吸附性能。利川这一特性，可以测定煤的密度、比表面积等孔结构参数。物化特性法是将煤转化为纳米级甚至团簇级大小，运用原位反应性检测，研宄煤在转化过程屮结构和性质的变化。在转化过程中，不同煤岩组分的煤大分子经过界面反应和重组等化学和物理过程，能使煤达到微观均一化，运用统计学方法可分析提出煤的平均结构模型。2.化学研究方法化学研宂方法有：加氢法、氧化法、热解法和官能团分析法等。要使固体煤加氢转化为液体，就要把煤结构屮的键断幵并同时进行加氢，使芄生成比原煤分子小的液体，一

7、般可认为液化是煤结构中.元之间联结的次中基和氧桥断裂的结果。煤液化转变为石汕原汕等需要深度加釭，而转变为沥青类物质只要轻度加釭。氧化法的0的在于使煤分子破裂变成较简单的产物，这是一个逐渐降解的过程，也可称力氧解。根据氧化所得产物的结构特征就可以推测出煤的基本结构特征。将煤在隔绝空气下加热至较岛温度时发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过程称为煤的热解，或称热分解、干馏。煤的热解与煤的纟11成和结构关系密切，在热解过程屮放出热解水、CO2、CO、石蜡烃类、芳