褐煤中含氧和含氮化合物的分析及其模型化合物与水的氢键作用

摘要

褐煤中有机氧和有机氮与水分子之间的氢键作用导致褐煤中富含难以脱除的“分子水”，从而限制了褐煤的高效利用。本论文采用实验和理论计算相结合的方法研究了山西霍州（HZ）和内蒙古兴和（XH）两种褐煤中有机氧和有机氮的赋存形态及其与水的氢键相互作用。首先利用石油醚、二硫化碳、甲醇、丙酮和等体积二硫化碳/丙酮混合溶剂对褐煤进行分级萃取将褐煤有机质中游离的小分子化合物溶出得到萃取物，再利用甲苯、甲醇、丙酮和等体积甲苯/甲醇混合溶剂对萃余煤在320℃进行热溶解聚将褐煤有机质中可溶大分子团簇和以较弱含氧桥键相连的组分溶出得到热溶物。
　　利用元素分析仪、X-射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析仪（TGA）分析原煤、萃余煤和热溶残渣中有机氧和有机氮含量和赋存形态，并利用FTIR和气相色谱质谱联用（GC/MS）分析萃取物和热溶物中含氧和含氮有机化合物的组成和结构特征。在实验结果的基础上，选择或构建一系列褐煤中有机氧和有机氮的相关模型化合物，结合密度泛函理论（DFT）和分子中的原子理论（AIM），采用量子化学计算方法研究模型化合物与水分子的氢键作用，从而揭示两种褐煤中有机氧和有机氮与水的相互作用机理以及水的存在形态。
　　HZ和XH分级萃取萃取物总产率分别为7.03%和7.86%，其中在甲醇中的萃取物产率分别为3.53%和4.17%，可能是由于甲醇能与煤中可溶小分子化合物形成氢键，削弱或破坏了可溶小分子化合物与褐煤有机大分子骨架的原有氢键。甲苯和甲醇在热溶过程中具有一定协同作用，因此HZ和XH萃余煤在等体积甲苯/甲醇混合溶剂中的热溶物产率分别可达45.76%和40.14%。GC/MS分析表明萃取物中含氧化合物（OCOCs）主要以酮、醚、醇、酚类化合物为主，而热溶物中OCOCs以酚、酮、酯和醇类化合物为主；萃取物中含氮化合物（NCOCs）主要以胺、吡啶、腈和硝基类化合物为主，而热溶物中NCOCs则以胺、吡唑、咪唑和吡啶类化合物为主。
　　与原煤FTIR谱图相比，萃余煤和热溶残渣FTIR谱图中缔合羟基、C=O和C-O-C的伸缩振动峰强度也明显减弱。XPS分析表明两种褐煤有机氧主要以羰基（C=O）、碳氧单键类（C-O）和羧基（COO-）形式存在，而有机氮主要以吡啶氮（N-6）、氨基氮（N-NH3）、吡咯氮（N-5）、季氮（N-Q）和吡啶氧化物（N-6-O）存在。与原煤相比，萃余煤和热溶残渣C-O含量较低，N-5和N-6含量较高，而N-6-O在热溶残渣中完全消失。此外，HZ和XH不同溶剂热溶残渣中氧含量最低分别为10.10%和11.30%，说明褐煤中有机氧化合物在热溶过程中较易溶出。然而，热溶残渣中的氮含量与原煤接近，说明褐煤中有机氮化合物主要以缩合含氮杂环为主，较难溶出。
　　以苯酚为褐煤中酚类模型化合物在B3LYP/6-311++G**水平上计算其与水的氢键作用。结果表明，苯酚可与水形成多种结构形式的苯酚-(H2O)n（n=1-3）复合物，且以酚羟基上形成一个O-H…O氢键并终止于O…H-O氢键的水链构型复合物最为稳定。在M06-2X/6-311+G**水平上计算了24个含氧官能团和14个含氮官能团与水的氢键相互作用。结果表明，含氧官能团与水的氢键结合能力依次为：羧基>酯基>酚羟基>羰基>醇羟基>醚基>苯环π电子云，含氮官能团与水氢键结合能力依次为：酰胺>吡啶氧>吡啶>喹啉>苯胺>咔唑>吡咯>苯腈；不同官能团之间存在的协同效应增强了它们与水的氢键作用。在M06-2X/6-31+G*水平上计算了有机氧褐煤基本结构单元模型（UMO）和有机氮褐煤基本结构单元模型（UMN）与水的氢键作用。结果表明，这些结构单元模型可与水分子形成多种形式的UMO-(H2O)n（n=1-16）和UMN-(H2O)n（n=1-12）复合物；水分子在UMO上以形成笼状水团簇为主，在UMN上以形成膜状水团簇为主，并且水的团簇结构中四元环状构型是最主要的一种存在形式。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 课题背景及意义 (Background and Significance of Research)

1.2 褐煤资源概述 (Overview of Lignite Resources)

1.3 煤结构的研究进展 (Progress of Coal Structure Research)

1.4 褐煤中水分的存在形式和氢键作用 (Existing Forms and Hydrogen Bonding Interactions of Moisture in Lignite)

1.5 量子化学计算方法简介 (Introduction to Computational Methods of Quantum Chemistry)

1.6 研究意义和内容 (Contents and Significance)

2 实验部分

2.1 煤样处理和分析 (Treatment and Analyses of Coal Samples)

2.2 实验设备和试剂 (Experimental Instruments and Reagents)

2.3 实验步骤 (Experimental Procedures)

2.4 分析和表征方法 (Analysis and Characterization Methods)

3 原煤的超声辅助萃取

3.1 原煤的分析与表征 (Analyses and Characterization of Raw Coals)

3.2 萃取物的产率与分析 (Yields and Analyses of Extractions)

3.3 萃余煤的分析与表征 (Characterization and Analyses of ER5)

3.4 本章小结 (Summary)

4 萃余煤的热溶解聚

4.1 热溶物的产率和分析 (Yields and Analyses of SPs)

4.2 热溶残渣的分析与表征 (Characterization and Analyses of TDRs)

4.3 丙酮热溶机理探究与分析 (Investigation and Analyses on The Mechanism of Acetone Thermal Dissolving)

4.4 本章小结 (Summary)

5 有机氧和有机氮模型化合物与水分子的氢键相互作用

5.1 苯酚-水簇复合物氢键结构与性质 (Structure and Properties of Hydrogen Bonds in Phenol-water Complexes)

5.2 含氧和含氮官能团与单个水分子的氢键作用 (Hydrogen Bonding Interactions between Oxygen- and Nitrogen-containing Functional Groups and Water Molecule)

5.3 有机氧分子结构单元与水分子的氢键作用 (Hydrogen Bonding Interactions between Organic Oxygen Model Compounds and Water Molecules)

5.4 有机氮分子结构单元与水分子的氢键作用 (Hydrogen Bonding Interactions between Organic Nitrogen Model Compounds and Water Molecules)

5.5 本章小结 (Summary)

6 结论与创新点

6.1 结论 (Conclusions)

6.2 创新点 (Innovations)

参考文献

附录

作者简历

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