馬蘭8號(hào)煤大分子結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及分子模擬.pdf

1、煤是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?lái)源。隨著我國(guó)工業(yè)的快速崛起和人民生活水平的不斷提高，無(wú)論是資源的綜合利用還是一次能源的深加工要求;特別是對(duì)煤的開(kāi)采及利用都提出了更高的要求和目標(biāo)。要解決以上問(wèn)題必須對(duì)煤的分子結(jié)構(gòu)深入研究，只有從根本上認(rèn)識(shí)、理解了煤大分子結(jié)構(gòu)的特征，才能將煤炭的價(jià)值發(fā)揮到最大。本文選擇處于煤化作用拐點(diǎn)的山西太原西山馬蘭8號(hào)煤，為研究認(rèn)識(shí)煤的變質(zhì)機(jī)理提供理論指導(dǎo)。
　　文章以馬蘭8號(hào)原煤為樣品，依次使用傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀

2、(FTIR)、X射線衍射儀(XRD)、高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)、X射線光電子能譜儀(XPS)、13C固體核磁共振(13C-NMR)等實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)煤樣進(jìn)行分析。文章通過(guò)解析傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜圖，表征了煤大分子結(jié)構(gòu)中碳、氧元素的賦存形態(tài);對(duì)X射線衍射譜圖的解析，得到平行芳香層片層間距(d002)，芳香核垂直方向的有效堆砌高度(Lc)，堆砌簇中芳香環(huán)層片的平均直徑(La)，及芳香堆砌簇的平均層數(shù)（Nave）。本文通過(guò)肉眼可辨的高分辨

3、率透射電子顯微鏡觀察了煤大分子中芳香層片的排列情況;并使用Matlab等相關(guān)軟件對(duì)高分辨率透射電子顯微鏡照片中的芳香層片晶格邊緣進(jìn)行提取，獲得晶格參數(shù);并將其與X射線衍射獲得的具有相同意義的晶格參數(shù)進(jìn)行比較，對(duì)解析結(jié)果進(jìn)行修正。本文通過(guò)解析X射線光電子能譜圖，表征了煤大分子結(jié)構(gòu)中氮、硫、氧元素的賦存形態(tài)，并對(duì)各形態(tài)的比例進(jìn)行了定量分析。本文又通過(guò)解析13C固體核磁共振波譜，對(duì)碳、氧元素賦存形態(tài)進(jìn)行了定性、定量分析。得出了馬蘭8號(hào)煤大分子

4、結(jié)構(gòu)模型中甲基、亞甲基、次甲基的比例約為2∶3∶4;氧元素的存在形態(tài)以醚、酚、羰基為主，其比例約為5∶2∶3;芳香環(huán)類(lèi)型主要有吡咯、吡啶、噻吩、苯、萘、葸、菲、四元芳香環(huán)等。由上述解析得到的各類(lèi)元素信息，使用碳化學(xué)位移預(yù)測(cè)軟件ACD/CNMR構(gòu)建煤大分子結(jié)構(gòu)模型，在gNMR軟件里增加線寬后，與13C-NMR譜圖進(jìn)行對(duì)比，得到匹配程度較好的譜圖，獲得馬蘭8號(hào)原煤的大分子結(jié)構(gòu)模型。文章使用Materials Studio軟件中的Forcit

5、e模塊，對(duì)煤大分子結(jié)構(gòu)模型分別進(jìn)行分子力學(xué)優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)退火，得到能量最小的結(jié)構(gòu)模型，既最穩(wěn)定的構(gòu)型。在此基礎(chǔ)上，本文使用VAMP模塊對(duì)結(jié)構(gòu)模型中鍵長(zhǎng)、鍵級(jí)和電荷布局?jǐn)?shù)進(jìn)行了量子力學(xué)計(jì)算;得出脂肪碳鏈在受到芳香官能團(tuán)的影響后，其化學(xué)鍵變得相對(duì)穩(wěn)定，而離芳香官能團(tuán)較遠(yuǎn)的脂肪碳鏈鍵長(zhǎng)較長(zhǎng)，鍵級(jí)較小的結(jié)論。文中使用Amorphous Cell模塊對(duì)馬蘭8號(hào)煤密度與能量的關(guān)系進(jìn)行了探索，并獲得了最低能量時(shí)的密度值，約為1.3g/cm3。將所獲得的