煤活性基团与Ca2+形成配合物的结构与表征

针对煤炭自燃阻化技术的理论基础研究薄弱的问题,首次应用量子化学理论从微观上系统地研究了预防煤炭自燃阻化技术基础理论,应用密度泛函理论,在B3LYP/6-3llG水平上研究了煤含氮、磷、硫的活性基团与阻化剂形成的配位化学键和配位体的过程,并用红外光谱和热重实验加以表征,创立了预防煤炭自燃的阻化机理理论。其核心内容是煤有机大分子和低分子化合物中含氮、磷、硫、氧等活性基团与阻化剂中的金属离子形成配位化学键和配位体,惰化了煤中的活性基团与氧反应的活性,突破了传统理论的附着煤表面的强盐在吸水后煤表面形成水膜隔氧的学术观点。填补了预防煤自燃阻化机理研究领域的空白。主要研究内容和研究成果概括如下: 通过红外光谱实验研究及量子化学计算,在建立了煤分子结构模型的基础上,采用量子化学密度泛函（DFT）理论计算方法,在B3LYP/6-311G计算水平上,得出煤分子的结构模型及简化后的煤分子的前沿轨道图,确定煤分子中的活性基团-NH2、-PH2及-SH具有较高的化学活性容易失去电子与金属离子形成配位键,同时也易于氧发生化学反应导致煤炭自燃。 研究了煤分子活性基团与Ca2+离子形成配位化学键及配位化合物的过程,通过对形成配合物的自然键轨道、净电荷布居及自然电子组态计算及分析,发现煤分子中的N、P、S原子的孤对电子与Ca2+离子的孤对电子及价外层空轨道有强的相互作用能,同时Ca2+离子的原子轨道从配体得到部分反馈电子,导致偏离其表观电荷,说明Ca2+离子与配体中的N、P、S原子形成了配位键。 通过对配合物的稳定化能和前沿轨道能级分析,得到Ca2+与煤中的N活性基团形成的四配位化合物最为稳定,Ca2+与煤中的P、S活性基团形成的二配位化合物最为稳定。 应用实验的方法合成了煤与Ca2+形成的配合物,并用红外光谱、热重进行了表征。红外光谱表征结果是煤中的-CH2-NH2、-CH2-S-、-CH2-P-显现峰面积值发生了变化和峰位发生了红移或蓝移。热重表征结果是煤中加入阻化剂后着火活化能普遍增大,说明煤中的活性基团与Ca2+离子形成了配合物,从而使煤与氧反应的活性降低。着火活化能增大的越大,说明形成的配合物越稳定。