基于f-ir光谱的我国煤结构参数研究

基于f-ir光谱的我国煤结构参数研究

0煤中脂肪-ch和芳香-ch含量的表征由于煤的不平等性、非晶态结构和低溶解能力，传统方法难以难以改进。近年来，福里叶变换红外光谱（tir）用于煤矿结构分析，计算机处理技术用于光谱分解，从而解决了煤肩的薄肩吸收、重叠峰的弱分辨率、线位置的确定和光谱差异的降低等问题。此外，monon、duri和pain采用2900cm-1附近的脂肪ch扩展振动（alt）和800cm-1附近的脂肪ch表面折叠振动（aarop）的吸收强度（asert），以及接近800cm-1的yaleban模型的吸收强度（aarop）。许多科学家对煤炭中脂质氢（al-ch）和芳香氢（ar-ch）的含量有一致的意见。用红外光谱研究我国煤的结构性质,目前仅限于对个别煤的显微组分和抽提物结构的研究,用红外光谱对我国煤中脂肪-CH和芳香-CH含量的研究报道并不多见.本文就是用FTIR光谱,借助于作者编制的分峰程序,对我国煤化程度有显著差异的18种煤进行了煤中脂肪-CH和芳香-CH含量的定量分析,求得煤中脂肪-CH和芳香-CH含量的吸光度系数,由此获得了我国煤的化学结构参数.1实验部分实验用煤样及煤的FTIR光谱分析方法参见文献.2红外吸收光谱的分解与合成煤样红外光谱中各吸收峰的分解与拟合过程见文献.3结果和讨论3.1煤中芳香氢的红外光谱分析与煤的含氧官能团的红外光谱分析一样,脂肪和芳香-CH测定主要也是选择分析峰的位置和确定其吸光度系数.本文使用红外光谱2900cm-1附近脂肪-CH伸缩振动吸收强度(AalST)和800cm-1附近芳香-CH的面外弯曲振动吸收强度(AarOP)来表征煤中脂肪氢和芳香氢的.考虑到在830cm-1处出现了脂肪-CH的摇摆振动吸收,但可以从800cm-1附近(即900～700cm-1吸收带)芳香-CH的面外弯曲振动的吸收强度(AarOP)中加以消除,差减830cm-1处吸收强度后,以此作为分析煤中芳香-CH中芳香氢的基础.由郎勃特-比耳定律可知,脂肪-CH伸缩振动吸收强度(AalST)和芳香-CH的面外弯曲振动吸收强度(AarOP)的计算分别为AalSΤ=a′alΗal‚(1)AarΟΡ=a′arΗar‚(2)式中a′al和a′ar分别为脂肪氢和芳香氢的吸光度系数,Hal和Har分别为煤中脂肪氢和芳香氢的含量.假定煤中氢的总量(HT)是由脂肪-CH中氢Hal、芳香-CH中氢Har和羟基中氢H(OH)3部分组成的,即(ΗΤ)=Ηal+Ηar+ΗΟΗ‚(3)式(1)和(2)代入式(3)变形得,1a′al[AalΗΤ-ΗΟΗ]=1-1a′ar[AarΗΤ-ΗΟΗ].(4)由式(4)可知,根据元素分析获得的HT和文献中的羟基含量计算HOH的值,以AalΗΤ-ΗΟΗ和AarΗΤ-ΗΟΗ分别为横坐标和纵坐标作图(见图1),由图1可知它们成线性关系,直线与坐标轴的交点即为a′al和a′ar的值.由图1可知我国的18种煤的脂肪氢和芳香氢的吸光度系数分别为a′al=630.15和a′ar=276.95,相关系数为0.8746,而一般a′ar/a′al的值也在0.2～0.9间变化.根据脂肪氢和芳香氢的吸光度系数来计算煤中脂肪-CH和芳香-CH中氢的含量,表1为通过FT-IR所得的我国18种煤含氢官能团的氢分布表(见表1).图2为煤中芳香氢和脂肪氢之比(Har/Hal)与煤中碳含量的关系曲线.由图2可知,Har/Hal的值介于0.5～1.2之间,当碳含量小于82%时,随煤化程度增加,Har/Hal之比变化不大,当C的含量大于85%以后,Har/Hal值突然骤增.图3为元素分析总氢和酚羟基氢之差(HT-HOH)与芳香氢和脂肪氢之和(Har+Hal)之间的关系曲线,由图3可知,斜率为1,煤中芳香氢和脂肪氢的红外光谱分析与总氢的元素分析相吻合,说明实验是可靠的.3.2煤中芳香碳的元素分析由于煤中羧酸含碳量与芳香碳、脂肪碳的碳相比少得多,以致于计算官能团中的碳时可以忽略,本工作采用差减法计算Car和Cal.Car=Ctotal-Cal=Ctotal-(12/x)·Hal,(5)式中Car是煤中芳香碳含量,Cal是煤中脂肪碳含量,Ctotal是总碳含量即为元素分析值x是描述脂肪物质CHx的化学计量.x的值取1.8,由此得到我国18种煤的脂肪碳和芳香碳的含量(见表2),图4为煤的芳香碳原子数与总碳原子数之比芳香度(fa=Car/C)与煤化程度的关系,由图4可知煤的芳香度随煤化程度的增加而提高,在碳含量大于85%时,fa值急增.图5为煤中芳香碳含量(Car)与煤中固定碳(FC)之间的关系曲线.由图5可知,两者之间对应成线性关系,说明煤中的芳香碳与固定碳密切相关.4煤的红外光谱(1)利用红外光谱可地定量分析煤中芳香-CH和脂肪-CH的含量,FTIR是研究煤结构参数的有效方法之一.(2)对我国18种煤的红外光谱研究发现,煤的Har/Hal的值介