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

1、煤是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要動力來源。隨著我國工業(yè)的快速崛起和人民生活水平的不斷提高，無論是資源的綜合利用還是一次能源的深加工要求;特別是對煤的開采及利用都提出了更高的要求和目標(biāo)。要解決以上問題必須對煤的分子結(jié)構(gòu)深入研究，只有從根本上認(rèn)識、理解了煤大分子結(jié)構(gòu)的特征，才能將煤炭的價值發(fā)揮到最大。本文選擇處于煤化作用拐點的山西太原西山馬蘭8號煤，為研究認(rèn)識煤的變質(zhì)機理提供理論指導(dǎo)。
　　文章以馬蘭8號原煤為樣品，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)等實驗設(shè)備對煤樣進行分析。文章通過解析傅里葉轉(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)軟件對高分辨率透射電子顯微鏡照片中的芳香層片晶格邊緣進行提取，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)進行比較，對解析結(jié)果進行修正。本文通過解析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)，并對各形態(tài)的比例進行了定量分析。本文又通過解析13C固體核磁共振波譜，對碳、氧元素賦存形態(tài)進行了定性、定量分析。得出了馬蘭8號煤大分子

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元素信息，使用碳化學(xué)位移預(yù)測軟件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譜圖進行對比，得到匹配程度較好的譜圖，獲得馬蘭8號原煤的大分子結(jié)構(gòu)模型。文章使用Materials Studio軟件中的Forcit

5、e模塊，對煤大分子結(jié)構(gòu)模型分別進行分子力學(xué)優(yōu)化及動力學(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模塊對結(jié)構(gòu)模型中鍵長、鍵級和電荷布局?jǐn)?shù)進行了量子力學(xué)計算;得出脂肪碳鏈在受到芳香官能團的影響后，其化學(xué)鍵變得相對穩(wěn)定，而離芳香官能團較遠的脂肪碳鏈鍵長較長，鍵級較小的結(jié)論。文中使用Amorphous Cell模塊對馬蘭8號煤密度與能量的關(guān)系進行了探索，并獲得了最低能量時的密度值，約為1.3g/cm3。將所獲得的