五牧场11号煤结构模型构建及其超分子特征

根据温度-压力关系,煤的变质作用可以分为低温高压型、高温高压型和高温低压型三类。不同的温压关系的煤变质作用形成的煤的组成结构具有一定的差异。了解这种差异及其原因是煤质预测及煤的高效合理利用的基础。内蒙古五牧场分布有典型的高温低压变质作用导致褐煤向烟煤转化带。我们从分子角度对该地区的煤结构进行理论研究。根据工业分析、元素分析、13C-NMR、FTIR、XPS等分析,获得了原煤、残煤、抽提物分子结构中碳骨架信息、脂肪结构以及含氧官能团类型及比例、氮原子的存在形式和比例等结构信息。以此为基础,构建了三者的分子结构模型,并应用13C-NMR预测软件ACD/CNMR predictor对其进行了修正,获得了与实验核磁共振谱图吻合较好的原煤、残煤大分子、抽提小分子结构模型。原煤大分子结构的芳香结构单元以苯、萘、蒽、菲为芳香结构单元,数量分别是1、2、2、1；氧原子以酚羟基、羰基、羧基的形式存在；氮原子分别以吡啶和吡咯的形式存在。残煤大分子结构中芳香结构以菲、蒽为芳香结构单元,含氧官能团以苯羟基、羰基的形式存在。氮原子只以吡咯的形式存在。吡啶抽提物分子芳香结构以苯、萘、蒽、菲为芳香结构单元,其中蒽较多,含氧官能团中羟基与羰基之比是8：5。通过Material Studio软件中Focite模块的计算得到三个分子的稳定构象以及能量特征。通过Amorphors模块添加周期性边界条件计算三个分子的密度,得到计算密度与实验密度较为吻合。通过VAMP模块计算三个分子各原子结合键的键长、键角及电荷布局数,得到不同结合键之间稳定性差异。抽提率计算表明该煤样超分子结构特征是一个沥青质与三个残煤相结合,在此基础上利用分子力学和分子动力学计算研究超分子特征。通过对不同组合下超分子构象和能量的计算得出其稳定构象、能量关系及识别方式。按照沥青质分子与残煤分子的抽提比例建模,计算了超分子的密度与能量之间的关系。得到超分子稳定构型对应的计算密度值为1.32g/cm3,与实验值1.41g/cm3比较接近。