煤化学第3章-煤的结构ppt课件.ppt

《煤化学第3章-煤的结构ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《煤化学第3章-煤的结构ppt课件.ppt（73页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、Coal chemistry2011版煤 化 学 篇第三章 煤化学结构的基本概念能源化学课程组二o一一年十月12011版2本章内容3 用统计与结构解析法研究煤的结构Coal chemistry2 煤的结构模型1 煤化学结构的基本概念Coal chemistry2011版煤结构的研究方法3Coal chemistry2011版煤结构的研究水平 煤的结构具有特别的复杂性、多样性和不均匀性，迄今无法分离或鉴别出煤中的全部化合物 目前的研究水平仅限于：定性地描述其整体的统计平均结构及模型定量地计算一系列结构参数，如芳香度距完全揭示煤的真实结构还有相当大的距离 由于镜质组的代表性，故是煤结构的主要研究对

2、象4Coal chemistry2011版碎片信息重组法52011版Coal chemistr8.4 用统计结构解析法研究煤的结构 概括物性与结构的内在联系，采用数学统计计算，求取结构参数的方法8.4.1 统计结构解析法原理 分子由原子构成，两者性质间的关系有两种极端情况 加和性质：分子性质是其组成原子性质的汇合与继续例：分子量=原子量 结构性质：由于原子的键合方式不同，使分子具有原子所没有的性质，如反应性 分子的其他性质则介于加和性质与结构性质之间煤的统计结构解析法原理：利用煤的加和性质来计算结构参数，并根据结构性质来修正。142011版Coal chemistry8.4.2 煤的结构参数（

3、1）结构参数的定义1）芳碳率fa=Ca/C，基本结构单元中，芳碳原子数与总碳原子数之比2）芳氢率fHa=Ha/H，基本结构单元中，芳氢原子数与总氢原子之比3）芳环率fRa=Ra/R，基本结构单元中，芳环个数与总环个数之比4）环缩合度指数5）环指数，基本结构单元中，环形成缩合环的程度，基本结构单元中，平均每个碳原子所占环数，即单碳环数6）芳环紧密度15Coal chemistry2011版（1）结构参数的定义7）芳簇大小Car，芳香核的大小，即基本结构单元中的芳香族碳原子数8）聚合强度b，煤的大分子中每一个平均结构单元中的桥键数9）聚合度p，每一个煤大分子中结构单元的平均个数16R H2011版

4、Coal chemistry（2）主要结构参数间的关系1） 环缩合度指数与与芳碳率fa3） 环指数与芳环率fa17R 1 HC C2） 聚合度p，聚合强度b，附加环数rp 1p rb 2 2 fa C CCoal chemistry2011版8.4.3 煤结构的统计解析 常用的加和性质有：真密度，挥发分，燃烧热，折射率等8.4.3.1 密度法A 计算法 加和性函数液体mol体积VM可按J.Traube公式计算18Coal chemistry2011版8.4.3.1 密度法 烟煤的镜质组为过冷液体，且煤中不存在脂肪族双、三键KM仅取决于环结构，当平均单元有R个环时，有经验公式 将（8-23）、（

5、8-24）式及煤中各原子的摩尔体积代入（8-22），并除碳原子数C，整理后得(8-25)192011版Coal chemistry8.4.3.1 密度法引入单碳分子量 Mc=，由于CN，CS，可令0， 0 ，上式可简化为实验求出：元素组成、真密度可求环数R 环缩合度指数芳碳率 此法简便，但误差较大，而图解法较计算法更准确（略）20Coal chemistry2011版8.4.3 挥发分法 Krevenlen认为，煤的V是由芳碳以外的物质转变而成的，得出挥发分计算经验式212011版Coal chemistry8.4.4 煤的结构参数与煤质的关系（1）煤化度Rank增加，fa增大；Cdaf=87

6、%以后，fa 剧增；Cdaf大于95%后，fa1，高变质无烟煤已高度芳构化（2）显微组分 惰质（丝质）组：rank增加， fa 1；环缩合度指数增大 镜质组与稳定组：rank增加， fa 、环缩合度指数增大，稳定组剧增；至高阶煤阶段，三组分差别消失（3）还原程度 高还原煤，H较多，H/C原子比增加fa 减小；故H/C原子比可以作为还原程度的表征22Coal chemistry2011版8.4.5 煤结构研究的新进展 近年来，煤结构的研究再次引起重视，新的物理分析仪器和技术基本上都用于了煤结构的研究，重要的研究方法与研究对象有： 计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像，研究孔结构 电子透射/扫描显

7、微镜（TEM/SEM）、扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜（AFM），研究煤的表面形貌 质谱（MS），研究碳原子数分布，碳氢化合物类型，相对分子质量 X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收近边谱（XANES），有机硫和有机氮 用X射线衍射径向分布函数解析煤结构也是近年来的一大特色232011版Coal chemistry8.5 煤的结构模型8.5.1 化学结构模型60年代以前的代表。特点：芳香缩合环很大。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“统计结构解析”方法，是第一次突破。定量描述了煤结构中的芳香族与脂肪族结构，并首次引用X射线和红外光谱的结果来

8、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。24来源：结构参数+推断(1) Fuchs模型（1957）2011版Coal chemistry8.5.1 化学结构模型(2) Given模型（1960） 特点：首次提出煤具有三维空间结构，年轻烟煤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 缩合芳环少，但无醚键，无含S结构252011版Coal chemistry8.5.1 化学结构模型(3) Wiser模型（1975，美国） 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，较合理、全面26Coal chemistry201

9、1版8.5.1 化学结构模型(4) Shinn模型（1984） 特点： 以烟煤为对象，芳环或氢化芳环由较短的脂链和键相连，形成大分子聚集体 相对分子量10023，结构单元分子量2851250 受液化过程中溶剂作用的影响，未表示出低分子化合物27Coal chemistry2011版（5）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28Coal chemistry2011版8.5.2 物理结构模型(1) Hirsch模型（1954） 特点： 反映了煤空间结构随rank的变化： 敞开液体无烟煤结构图8-18 Hirsch模型29Coal

10、chemistry2011版8.5.2 物理结构模型(2) 两相模型Given（1986） 大分子碳网为固定相，小分子化合物为流动相30Coal chemistry2011版8.5.3 煤结构的综合模型 煤结构的综合模型同时考虑了煤的分子结构及其空间构造，也可理解为煤的化学结构模型与物理结构模型的组合 (1)Oberlin模型(1989年) 它是Oberlin用高分辨透射电镜(TEM) 究煤结构后提出的 特点：稠环个数较多，最大有8个苯环，近似于Fuchs模型与Hirsch模型的组合。但它过于强调了Co卟琳的存在 (2)球(Sphere)模型(1990年) 它是Grigoriew等人用X射线衍

11、射径向分布函数法研究煤的结构后提出的 特点：首次提出煤中具有20个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31Coal chemistry2011版煤结构模型的局限性 尽管每一模型都有相关实验证据的有力支持，但没有一种模型可以解释所有的实验现象。 也许对于煤这种复杂物质，也不存在这样一种模型 对于从一开始煤科学就面临的问题，仍然不能给出确切的答案。 虽然“标准”或“公认”的模型仍把煤认为是共价交联的大分子网络结构，煤交联键的本质仍然是引起争论的问题32Coal chemistry2011版8.6 煤化学结构的基本概念 关于煤的化学结构曾有过多种假说 低分子结构说 胶体化学结构说 高

12、分子结构说等 而近代观点则认为煤具有高分子聚合物特征。煤的化学结构是高度交联的非晶质大分子空间网络。 每个大分子由许多结构相似而又不完全相同的基本结构单元聚合而成33Coal chemistry2011版8.6.1 煤的化学结构特征 长期以来，多种方法对煤结构的研究表明，煤的化学结构具有相似性和高分子聚合物特性8.6.1.1 煤化学结构的相似性 相同煤化度煤的同一显微组分并不是一个纯物质，而是由许多结构相似的煤分子组成的混合物。 每一个煤分子的基本结构单元彼此也不完全相同，但同一个煤分子中各个基本结构单元的结构也是相似的。34Coal chemistry2011版8.6.1 煤的化学结构特征煤

13、化学结构的相似性可从以下几点得到证明(1) 溶剂抽提的原料煤、抽出物和抽提残渣在工业分析、元素分析、红外光谱和X射线衍射等方面的性质，并未显示出本质的差别(2）原料煤与其高真空热解馏出物的红外光谱，几乎具有相同的谱图(3）将煤的溶剂抽出物进一步色层分离，各分离产物亦具有相似的红外、紫外光谱正是由于煤的化学结构具有相似性，研究煤的平均结构单元才有意义35Coal chemistry2011版8.6.1.2 煤的高分子聚合物特性煤的高分子聚合物特性表现如下(1) 相对分子质量大煤的成因研究和溶剂抽提表明，成煤物料本身就是聚合物，如木质素相对分子质量达11000，纤维素相对分子质量更高达150000

14、在成煤过程中作为中间产物出现的腐殖酸也是聚合物，相对分子质量从几千到几万煤的相对分子质量大小尚无定论，但已发表的研究数据多认为煤的相对分子质量在数千范围36Coal chemistry2011版煤的高分子聚合物特性(2) 具有缩合结构。煤的氧化可得到苯羧酸，而苯羧酸只能由烷基苯或稠环化合物转变生成，这说明煤具有缩合芳香族结构此外，煤的基本结构单元之间由次甲基或醚键联结为链状结构;煤的结构中存在酚烃基，也证明了煤具有缩合结构(3)可发生降解反应。对煤进行连续氢化，将使煤的相对分子质量变小，而且各级加氢产物具有相似的红外光谱(4)可发生解聚反应。原料煤及其初次热解产物、高真空热分解馏出物都具有极为

15、相似的红外光谱，说明后两者都是煤的热解聚产物37Coal chemistry2011版8.6.2 煤的基本结构单元煤具有聚合物特性，但与一般聚合物不同，煤解聚后得到的不是具有相同相对分子质量和单一化学结构的单体，而是不同相对分子质量，不同化学结构的一系列相似化合物的混合物。因此，构成煤聚合物的基本结构单位不称“单体”，而称“基本结构单元”煤聚合物的大分子可大致看作由与基本结构单元有关的三个层次部分组成，即基本结构单元的核核外围的官能团和烷基侧链基本结构单元之间的联结桥键38Coal chemistry2011版8.6.2.1 基本结构单元的核 煤的元素组成和许多其他性质显示，煤的基本结构单元具

16、有芳香性 我们还不清楚基本结构单元的确切结构，但可以通过结构参数去推测和估计基本结构单元的核结构以及芳香环的缩合程度 最重要的结构参数是芳香度(包括芳碳率和芳氢率)和缩合环数 由表8-7可见，f Car、f Har随煤化度的增加而增大，但在煤中C达90%以前增大并不显著，f Car波动于0.70.8，fHar波动于0.30.4，说明只有无烟煤是高度芳构化的392011版Coal chemistry芳香性随煤化度的变化煤中C/%75.076.677.077.979.481.081.382.082.082.782.983.483.58.3885.186.590.393.0NMR0.690.750.

17、710.380.770.700.770.780.740.790.750.780.770.540.770.760.860.95FTIR0.720.750.650.490.770.690.740.730.760.730.790.690.690.560.800.780.84-NMR0.290.340.330.160.310.310.300.360.330.320.390.330.340.180.430.330.530.68FTIR0.310.330.240.140.310.340.360.320.310.290.390.290.290.160.450.420.50-Har/Car0.330.360.

18、340.420.310.340.350.340.330.310.380.320.360.310.360.360.350.23Hal/Cal Rmin（平均）1.4821.7821.8921.3211.9131.4522.1132.1431.7432.3431.5932.3132.4231.6911.3831.7531.9162.063040f arCf arHCoal chemistry2011版8.6.2.1 基本结构单元的核 对烟煤而言，fCar不到0.8，fHar大致为0.33左右 从Har/Car可知，约有2/3的芳碳原子处于缩合环位置，其上无氢原子，Hal/Cal平均值为2左右，这是

19、存在脂环的证据之一 其他方法测得芳碳率的结果也与此大致相似 在20世纪50年代以前，一般认为烟煤缩合环数不小于10。20世纪60年代，以Krevelen为代表的观点认为，从褐煤到低挥发分烟煤，其基本结构单元约包含20个碳原子，即45个环 70年代以后，发现煤中C在70%83%之间时，平均环数为2;C在83%90%时，平均环数增至35个，C为95%时，环数激增至40以上41Coal chemistry2011版428.6.2.1 基本结构单元的核褐煤次烟煤中挥发分烟煤低挥发分烟煤无烟煤石墨煤中C%65.174.280.484.390.4烷基侧链平均碳原子数5.02.32.21.81.1Coal

20、chemistry2011版8.6.2.2 基本结构单元的官能团和烷基侧链 煤的基本结构单元的外围部分主要是含氧(还有少量含硫、含氮)官能团和烷基侧链。它们随煤化度增加而逐渐减少。 不同煤种烷基侧链的平均长度如表8-10所示表8-10 煤中烷基侧链的平均长度烷基侧链随煤化度增加开始很快缩短，然后逐渐稳定43Coal chemistry2011版8.6.2.3 桥键 桥键是联结基本结构单元的化学键，定性的研究结果表明，桥键一般有以下四类:（1）CH2，CH2CH2，CH2CH2CH（2）O，S，SS（3）CH2O，CH2S（4）CarCar 这些桥键在煤中并不是平均分布的 在褐煤和低煤化度烟煤中

21、，主要存在前三种桥键，尤以长的次甲基键和次甲基醚键为多 中等煤化度烟煤中桥键数目最少，主要键型为CH2，O 至无烟煤阶段桥键又有所增多，键型则以CarCar为主44Coal chemistry2011版8.6.3 煤的相对分子质量及低分子化合物8.6.3.1 煤的相对分子质量 载入文献的有关煤相对分子质量的数据小至几百，大至上百万，相差之大几乎难以想象。其原因有理论上的，也有实践上的。 理论上，何谓真正的煤分子，目前在概念上还相当模糊。有的将煤降解产物的分子看作煤分子；有的引用高分子化学的概念，将由交联键相连的高分子链看作煤分子 实践上，目前还没有直接测定煤相对分子质量的方法，也没有找到能使煤

22、分子间的交联键选择性地进行定量分解的方法 此外，由于煤的分子大小本身并不均一，所以不同方法得到的所谓相对分子质量波动范围很大。因此，有关煤分子及相对分子质量问题还有待进一步研究。45Coal chemistry2011版8.6.3 煤的相对分子质量及低分子化合物 煤分子间存在交联是可以肯定的，交联不但可以发生在分子之间，也可发生在分子内部，不同煤化度的煤，交联情况有所区别。 中等煤化度烟煤分子间的交联程度最低，所以它有最好的熔融性，在重质芳香溶剂中具有最高的溶解度，并具有最小的机械强度 交联键有两类，（1）化学键。主要是CC和O，它们的化学本性与桥键相同，（2）非化学键。包括范德华力和氢键力。

23、对低煤化度煤来讲以氢键力为主，而高煤化度煤则以范德华力为主46Coal chemistry2011版8.6.3.1 煤的相对分子质量 不少人认为烟煤分子的结构单元数目在200400之间，相对分子质量在数千范围 例如，有研究者提出烟煤平均相对分子质量在4500左右，而有人则认为约为2500。这些说法都有一定的实验基础，但也都有待进一步核实 首先应确定煤分子的定义，查明煤的物质结构层次。将煤的基本结构单元、分子和团簇(Cluster)这三级结构层次区分开来47Coal chemistry2011版8.6.3.2 煤中的低分子化合物 在煤尚未发生化学反应的条件下，可得到相对分子质量在500左右或50

24、0以下的溶剂抽提物 这些化合物可溶于溶剂，加热可熔化，部分可挥发。显然，它们与煤的总体性质或煤主体结构的性质完全不同。通常称它们为煤中的低分子化合物 低分子化合物来源于成煤植物成分(如树脂、树蜡、砧烯和甾醇等)以及成煤过程中形成的低分子聚合物 低分子化合物主要可分为两大类:含氧化合物和烃类 含氧化合物有长链脂肪酸、醇和酮 烃类主要是正构烷烃，分布范围广至C1C30，甚至还有发现C70的报道，此外还有少量环烷烃及多环芳烃等48Coal chemistry2011版8.6.4 各种显微组分的化学结构 由于镜质组是煤中的代表性有机显微组分，所以本章前述内容除特别指明外，讨论的都是镜质组的化学结构 下

25、面对稳定组和丝质组的化学结构作一简单比较 稳定组的主要结构特征是H/C原子比较高，芳香度低，氧含量低 X射线衍射时表征芳香结构的衍射峰不明显，而表征非芳香结构的位于002带左侧的带却十分显著，表明稳定组包括更多的脂肪和脂环结构 在煤化过程中，稳定组的结构和性质逐渐向镜质组靠拢。至煤中C接近90%时，两者的差别基本消失49Coal chemistry2011版8.6.4 各种显微组分的化学结构 丝质组包括丝质体、微粒体和粗粒体等显微煤岩成分。它们在成煤初期就发生了较深刻的变化，故在煤化过程中的变化反而不明显 微粒体的碳含量高，氢含量低，芳香度高 X射线衍射表明，与同一煤样中的镜质组和稳定组相比，

26、惰质组表征芳香层片大小和平行定向程度的衍射峰最强 所以、无论煤化度高低，丝质组在化学结构和性质上都接近或甚至超过无烟煤50Coal chemistry2011版8.6.5 煤化学结构的近代概念 归纳到目前为止的研究成果，近代较多数人所接受的煤化学结构概念可以表述为:(1) 煤结构的主体是三维空间高度交联的非晶质的高分子聚合物，煤的每个大分子由许多结构相似而又不完全相同的基本结构单元聚合而成(2) 基本结构单元的核心部分主要是缩合芳香环，也有少量氢化芳香环、脂环和杂环。基本结构单元的外围连接有烷基侧链和各种官能团。基本结构单元之间通过桥键联结为煤分子(3) 煤分子通过交联及分子间缠绕在空间以一定

27、方式定型，形成不同的立体结构。交联键有化学键，还有非化学键煤分子到底有多大，尚无定论，有不少人认为基本结构单元数在200400范围，相对分子质量在数千范围51Coal chemistry2011版8.6.5 煤化学结构的近代概念(4) 在煤的高分子聚合物结构中还较均匀地分散嵌布着少量低分子化合物，其相对分子质量在500左右及500以下，它们的存在对煤的性质，尤其对低分子化合物含量较多的低煤化度煤的性质有不可忽视的影响(5) 镜质组是煤主体的代表性显微煤岩组分，煤的化学结构实质上主要是指镜质组的结构 稳定组脂肪和脂环结构成分较多，芳香度低，氢含量高。在煤化过程中，其结构和性质逐渐趋同于镜质组，至

28、C达90%时，两者的差别基本消失 丝质组碳含量高，氢含量低，芳香度高。随煤化度变化的幅度很小，在各种煤化度的煤中，丝质组的化学结构和性质都接近或超过无烟煤。52Coal chemistry2011版8.6.5 煤化学结构的近代概念(6)低煤化度煤的芳香环缩合度较小，但桥键、侧链和官能团较多，低分子化合物较多，其结构无方向性，孔隙率和比表面积较大 随煤化度加深，芳香环缩合程度逐渐增大，桥键、侧链和官能团逐渐减少。分子内部的排列逐渐有序化，分子之间平行定向程度增加，呈现各向异性 煤的许多性质在中变质烟煤(肥煤和焦煤)处呈现转折点，显示煤的结构由量变引起质变的趋势 至无烟煤阶段，分子排列逐渐趋向芳香

29、环高度缩合的石墨结构532011版Coal chemistry习题与思考题 习题：1 X射线的衍射峰、晶体参数与煤的结构性质有什么对应关系?2 红外光谱主要研究煤结构的哪方面问题?31H NMR与I3C NMR分别研究煤的什么问题?4 从煤的仪器分析，已经得出了哪些有关煤结构的信息?54Coal chemistry2011版4.1 煤中的官能团分析 煤结构单元的外围部分除烷基侧链外，还有官能团，主要是含氧官能团和少量含氮、含硫官能团。由于煤的氧含量及氧的存在形式对煤的性质影响很大。对低煤化度煤尤为重要，因此进行官能团分析时，通常把重点放在含氧官能团上。 4.1.1 含氧官能团 4.1.1.1

30、主要含氧官能团的测定方法 方法原理：官能团+试剂特征反应量关系官能团的质量/反应煤量官能团的百分含量(%) 已可准确测定：羟基、羧基、羰基、甲氧基、烷基侧链、非活性氧3Coal chemistry2011版（1）羟基（OH） 羟基，又称氢氧基。是由一个氧原子和一个氢原子相连组成的一价原子团，化学式-OH。 此原子团在有机化合物中称为羟基，是醇（ROH）、酚（ArOH）等分子中的官能团；在无机化合物水溶液中以带负电荷的离子形式存在（OH-1），称为氢氧根。当羟基与苯环相连形成苯酚时，可使苯环致活，显弱酸性。再进基主要进入其邻位、对位。 羟基与氢氧根的区别： 虽然氢氧根和羟基均为原子团，但羟基为官

31、能团，而氢氧根为离子。而且含氢氧根的物质在水溶液中呈碱性，而含羟基的物质的水溶液则多呈偏酸性。 氢氧根和羟基在有机化学上的共性是亲核性。4Coal chemistry2011版（1）羟基（OH） 羟基在煤中含量较多，绝大多数为酚羟基，醇羟基很少。它们存在于泥炭、褐煤和烟煤中，是烟煤的主要含氧官能团。 常用的化学测定方法是将煤样与Ba(OH)2溶液反应。后者可与羧基和酚羟基反应，从而测得总酸性基团含量，再减去羧基即得酚羟基含量。 反应示意式如下： 而醇羟基含量可采用乙酸酐乙酰化法测得总羟基含量，用差减法求得。含量以m mol/g表示（其他官能团表示法与此相同）。5Ba +2H2ORCOOO12d

32、+Ba(OH)2OHCOOHRCoal chemistry2011版（2）羧基（COOH） 有机化学中的基本酸基，所有的有机酸都可以叫羧酸，由一个碳原子、两个氧原子和一个氢原子组成，化学式-COOH。 如醋酸（CH3COOH）、柠檬酸都含有羧基，这些羧基与烃基直接连接的化合物，叫作羧酸。 羧基是由羰基和羟基组成的基团，但羧基的性质并非羰基和羟基的简单加和。确切地说羧基是一个氢原子共享2个氧原子，因为C与2个氧原子之间形成大 键，故2个O对H的作用是等价的。 例如，羧基中的羰基在羟基的影响下变得很不活泼，不跟HCN、NaHSO3等亲核试剂发生加成反应，而它的羟基比醇羟基容易离解，显示弱酸性。 此

33、外由于羧基的特殊结构，使它还具有一定醛基（-CHO）的性质。6Coal chemistry2011版（2）羧基（COOH） 在泥炭、褐煤和风化煤中含有羧基，在烟煤中已几乎不存在。当含碳量大于78%时，羧基已不存在。 常用测定方法： 羧基呈酸性，且比乙酸强。 因此羧酸可以与乙酸钙反应然后以标准碱溶液滴定生成的乙酸，反应式如下：12d(RCOO)2 Ca +2CH3COOH7Coal chemistry2011版（3） 羰基（ 羰基(carbonyl group) 是由碳和氧两种原子通过双键连接而成的有机官能团。是醛，酮，羧酸，羧酸衍生物等官能团的组成部分。 羰基是由一个 sp2或sp杂化的碳原子

34、与一个氧原子通过双键相结合而成的基团，羰基CO的双键的键长约1.22埃。由于氧的电负性(3.5)大于碳的电负性(2.5)，CO键的电子云分布偏向于氧原子，这个特点决定了羰基的极性和化学反应性。 构成羰基的碳原子的另外两个键，可以单键或双键的形式与其他原子或基团相结合而成为醛酮类和羧酸类羰基化合物。 化学性质：由于氧的强吸电子性，碳原子上易发生亲核加成反应。其它常见化学反应包括：亲核还原反应，羟醛缩合反应。8O ）CCoal chemistry2011版（3） 羰基（ 羰基无酸性，在煤中含量虽少，但分布很广。从泥炭到无烟煤都含有羰基，但在煤化度较高的煤中，羰基大部分以醌基形式存在。 比较简便的测

35、定方法是使煤样与苯肼溶液反应，反应如下： 过量的苯肼溶液可用菲啉溶液氧化，测定N2的体积即可求出与羰基反应的苯肼量。也可测定煤在反应前后的氮含量，根据氮含量的增加计算出羰基含量，其反应式：O ）CRR+H2OCO +H2NNH吡啶中115 24 hNCNHNHH2N+O+ N2 + H2O过量的 醌基有氧化性，还没有标准测定方法也难以测准。一般用SnCl2作还原剂进行测定。9Coal chemistry2011版（4）甲氧基（OCH3） 甲醇分子中去掉羟基上的氢原子后，剩下的一价基团，是最简单的一种烷氧基。 可以看成甲基醚的一部分。甲氧基是给电子基。 它仅存在于泥炭和软褐煤中，随煤化度增高甲氧

36、基的消失比羧基还快。它能和 HI 反应生成CH3I，再用碘量法测定。反应式如下：10ROCH3 + HIROH + CH3I (碘甲烷)CH3I +3Br2 + H2OHIO3 + 5HBr + CH3BrHIO3 +5HI3I2 + 3H2OCoal chemistry2011版（5）非活性氧（O） 煤有机质中的氧相当一部分是以非活性氧状态（即不易起化学反应和不易热分解的那部分氧）存在。严格讲这一部分氧不属于官能团，它以醚键的形式存在。 其测定方法未最终解决，可用HI水解，反应如下： 然后，测定煤中增加的OH基或测定与煤结合的碘。这种方法不够精确，不能保证测出全部醚键。11ROR + HIR

37、OH + RI130 ，8 hRI + NaOHROH + NaICoal chemistry2011版4.1.1.2 含氧官能团随煤化度的变化 曲线间面积表官能团的含量 OOHOC=OOCOOHOOCH3 随rank增大（Cdaf增大）， Ot急剧减小， -OCH3首先下降， 其次是-COOH，-OH； C=O减少最慢，在无烟煤中也有含氧官能团随煤化度的变化122011版Coal chemistry4.1.2 煤中含S和含N官能团煤中有机S的分布不很清楚，定性噻吩（）、硫醚（RSR）、二硫醚（RSSR）、硫基（RSH）等，定量：噻吩硫醚硫基煤中含N的官能团更不清楚，只能定性知道以吡啶环、喹啉

38、环为主，此外有胺基、亚胺基、五圆杂环等。13S2011版Coal chemistry几种美国煤有机硫的形态分布煤种有机S/%煤含硫结构/molg-1，10-5脂肪SH芳香SH脂肪硫醚 芳香硫醚噻吩伊利诺斯6号肯塔基4号匹兹堡8号西肯塔基得克萨斯褐煤3.201.901.851.530.807.006.145.666.531.6315.000.361.955.945.2518.001.393.496.284.252.006.251.393.386.0058.0045.2445.3225.687.8814Coal chemistry2011版4.2 煤的高真空热分解亦称分子蒸馏。目的是研究煤的结构与

39、粘结性。分子蒸馏原理：分子蒸馏面与冷凝面间距小于分子平均自由路径，以使分子在冷凝前不发生热分解与热缩聚。当蒸馏压强为133Pa（真空度101200Pa）时，分子自由路径为5cm，蒸馏面与冷凝面的设计间距应小于此值。对于煤的初次热解产物数量和性质的研究，高真空热分解是一种有效的方法。15Coal chemistry2011版分子蒸馏的特点（1）操作温度低： 蒸汽分子一旦逸出就可实现分离，而非达到沸腾状态。因此，分子蒸馏是在远离沸点下进行操作的，一般可低50-100。（2）蒸馏压强低： 分子蒸馏装置的独特结构，其内部压降极小，可获得很高的真空度。一般真空蒸馏真空度仅达5kPa，而分子蒸馏真空度可达

40、0.1-100Pa。（3）受热时间短： 装置中加热面与冷凝面的间距很小，所以受热时间很短。假定真空蒸馏需受热数十分钟，则分子蒸馏受热仅为几秒或几十秒。（4）分离程度及产品收率高： 分子蒸馏常常用来分离常规蒸馏难以分离的物质，而且就两种方法均能分离的物质而言，分子蒸馏的分离程度更高。16Coal chemistry2011版17500高真空热分解产物收率与煤化度的关系馏出物的收率随rank的变化高真空馏出物的 结构模型（C36H36O8相对分子质量516）煤的分子研究表明： 煤经分子蒸馏后，失去粘结性 煤的粘结性越好，分子蒸馏物越多2011版18Coal chemistry4.3 煤的溶剂抽提

41、研究煤组成与结构的最早方法之一。4.3.1 抽提的分类类别普通抽提特定抽提热解抽提超临界抽提加氢抽提温度100200300400300溶剂普通有机溶剂亲核溶剂多环芳烃普通供氧溶剂提取率百分之几2040%6090%30%90%抽提物低分子有机化合物类基本结构单元煤分解可溶物煤分解可溶物裂解低分有机物目的研究粘结性研究粘结性液化液化液化Coal chemistry2011版4.3.2 抽提机理（1） 抽提：溶解 + 萃取（2）符合相似相溶原则（3）溶剂与溶质的溶解度参数S1与S2应尽可能近，使混合自由能F 0，方能有效抽提（4）溶剂的供电子能力越强，抽提率越高19煤 118抽出物（1530%）20

42、11版20Coal chemistry4.3.3 烟煤的溶剂抽提最早的溶剂抽提法：Wheeler抽提法（19111931）吡啶残渣（6585%）氯仿61可溶物组分（沥青质、粘结成分）不可溶物组分（小分子腐殖质）组分（大分子腐殖质）煤苯285,5.57MPa抽出物(10%15%)残渣（腐殖质）(85% 90%)石油醚4060可溶物(油状沥青) (1.0%5.5%)不溶物(固体沥青) (0.9%4.7%)F费雪尔（Fischer）抽提法（19241925）Coal chemistry2011版抽提得到的煤结构信息 （1）煤结构具有高分子化合物特征 证据普通抽提仅能抽出少量低分子化合物，随着抽提条件

43、的强化，煤分子中交联结构断裂 ，缔合结构破坏，抽出产率急剧提高。 （2）煤结构具有交联聚合物特性 证据煤在吡啶中会发生溶胀现象（就象橡胶碰到油一样），煤中大部分有机质溶于吡啶，其他部分也发生变化。21Coal chemistry2011版抽提得到的煤结构信息 （3）煤中存在少量低分子化合物 证据普通抽提得到的抽提物，分子量约500，可溶于溶剂，加热可熔化，部分可挥发，显然它与煤的主体结构和总体性质明显不同，故称为煤中的低分子化合物，约占煤有机质的10%左右。 低分子化合物来源：稳定组中的树脂、树蜡及成煤过程中形成的低分子聚合物。它们对煤的性质影响很大，若抽提出炼焦煤中的低分子化合物，则其粘结性

44、将受到极大的破坏22Coal chemistry2011版4.3.4 烟煤的超临界抽提 超临界流体具有许多独特的性质，如粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感：粘度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力接近液体。 根据温度和压力的不同，纯净物质呈现出液体、气体、固体等状态变化，如果提高温度和压力达到特定的值，会出现液体与气体界面消失的现象该点被称为临界点。 在临界点附近，会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。 温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流体(supercriticalfluid，简称SCF)。23Coal c

45、hemistry2011版4.3.4 烟煤的超临界抽提 例如:当水的温度和压强升高到临界点(t=374.3 ，p=22.05 MPa)以上时，就处于一种既不同于气态，也不同于液态和固态的新的流体态超临界态，该状态的水即称之为超临界水。24Coal chemistry2011版超临界流体的性质 超临界流体由于液体与气体分界消失，是即使提高压力也不液化的非凝聚性气体。 超临界流体的物性兼具液体性质与气体性质。 它基本上仍是一种气态，但又不同于一般气体，是一种稠密的气态。其密度比一般气体要大两个数量级，与液体相近。 它的粘度比液体小，但扩散速度比液体快(约两个数量级)，所以有较好的流动性和传递性能。

46、 它的介电常数随压力而急剧变化(如介电常数增大有利于溶解一些极性大的物质)。 另外，根据压力和温度的不同，这种物性会发生变化。25Coal chemistry2011版超临界流体的应用原理 物质在超临界流体中的溶解度，受压力和温度的影响很大。 可以利用升温，降压(或两者兼用手段将超临界流体中所溶解的物质分离析出，达到分离提纯的目的(它兼有精馏和萃取两种作用)。 例如在高压条件下，使超临界流体与物料接触,物料中的高效成分(即溶质)溶于超临界流体中(即萃取)。分离后降低溶有溶质的超临界流体的压力，使溶质析出。 如果有效成分(溶质)不止一种，则采取逐级降压，可使多种溶质分步析出。在分离过程中没有相变

47、，能耗低。 超临界抽提可以在较低温度下抽出煤中低挥发物质，且不发生二次热解。262011版Coal chemistry煤超临界抽提的溶剂要求 溶剂选择的一般原则如下：（1）临界温度在300400。（2）密度高。（3）价廉易得。（4）性质稳定。几种溶剂的临界参数27溶剂二氧化碳水甲醇苯甲 苯二甲苯三甲苯临界温度/289374239289318343364临界压力/MPa4.9228.14.94.13.53.1Coal chemistry2011版28物质碳/%氢/%氧/%氮/%硫/%(收到时）H/C（原子比）OH/%灰分/%（干基）挥发分/%相对分子质量原料煤82.75.09.01.851.55

48、0.725.24.134.4-抽提物84.06.96.81.250.950.984.40.005-490残渣8464.47.81.901.450.634.85.025.0-典型超临界抽提英国国家煤炭局（NCB）进行了烟煤超临界抽提研究工作。用甲苯作溶剂，抽提温度约400，压力约10MPa，抽提物产率约1/3（占干煤）。剩余的煤作为固体回收，气体和液体产率很低。原料煤及抽提物性质见表。Coal chemistry2011版煤超临界抽提的优点（1）不必供给高压气体，抽提介质像液体而不像气体那样被压缩，压缩能量低。（2）煤抽提物含氢高，相对分子质量比用蒽油抽提时得到的低，更容易转化为烃油和化学品。（3）残渣为非黏结性的多孔固体，并有适量的挥发分，反应性好，是理想的气化原料，并适宜作为流化燃烧电站的燃料。（4）抽提时仅有固体和蒸气相，所以残渣易从溶剂分离，避免了通常煤液化所得高黏流体过滤困难的操作。 由于上述优点，所以超临界抽提可以用在煤和油页岩等，代替一般抽提方法难以进行的过程。29