基于红外光谱和13C-核磁共振实验的表面活性剂润湿煤尘机理分析

摘要

随着我国煤炭行业对职业健康的不断重视，煤尘灾害问题越来越成为我国煤炭行业应重点突破的问题之一。本文以红外光谱实验和核磁共振实验为基础，得到了煤与表面活性剂的结构参数。以数值分析和函数拟合软件为工具，将结构参数与煤的润湿结果相结合，探究了对煤与表面活性剂的润湿性影响的关键因素，最终建立了煤的微观结构参数与润湿性的定量数学关系。
　　本文选取了6种典型煤样及9种表面活性剂，运用了红外光谱实验和核磁共振实验探究了所选样品的碳结构与官能团结构，针对于煤的样品，深入分析了煤的微观结构随着煤化程度变化而变化的规律。对于煤中的官能团，本文得到了随着煤变质程度不断的加深，煤样中脂肪烃和芳香烃的总量呈上升趋势，且脂肪烃的含量呈下降趋势，芳香烃含量呈上升趋势。针对于煤中的含氧官能团，其总量是呈下降趋势的，其中羟基含量的下降的变化程度最为明显，而从褐煤到无烟煤的变质过程中，羰基与羧基的含量呈上升趋势。对于煤中的碳结构，煤的碳骨架的各个参数的变化趋势基本符合煤随着变质程度的加深，脱氢、脱氧、增碳的规律。在芳碳的结构参数中，芳香碳的增长是呈阶段性，其阶段性为先慢，后快。而在脂碳结构中起联结芳香结构单元作用的脂碳的结构参数都是不断减少，在脂碳中，占绝对含量的季碳与亚甲基减少趋势最为明显。
　　选用DSA100型光学法液滴形态分析系统测定蒸馏水、表面活性剂与煤尘的动态接触角，宏观表征煤的润湿性。将样品的碳结构、官能团结构与润湿性相结合，利用SPSS及ORIGIN进行相关性分析及数据拟合，最终建立了煤的微观结构与其润湿性的定量关系式，即：润湿性（接触角）=193.32-0.07*[碳氧单键]+0.01*[羟基]+0.17*[桥接芳碳]-0.11*[季碳、亚甲基]+4.64*[氧接脂碳]-0.43*[羰基碳]-0.26*[质子化碳]-5.33*[酚或芳醚碳]+0.06*[芳香烃]^2-6.12*[芳香烃]+0.05*[羧基]-0.68*[烷基取代芳碳]^2+9.42*[烷基取代芳碳]。同时，基于对于不同煤种的表面活性剂润湿性实验，建立了不同煤种下的表面活性剂润湿性的评价模型。

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摘 要

Abstract

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Contents

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤润湿能力影响因素研究国内外研究现状

1.2.2 煤尘用抑尘剂的国内外研究现状

1.2.3 煤尘用表面活性剂润湿能力影响因素研究国内外研究现状

1.3 研究内容和方法

1.4 技术路线图

2 煤尘及表面活性剂傅里叶变换红外光谱实验及分析

2.1 样品制备及实验仪器简介

2.1.1 煤样的采集及制备

2.1.2 表面活性剂样品的采集

2.1.3 NicoletiS10傅立叶红外光谱仪简介

2.2 不同煤尘的傅里叶红外光谱实验分析

2.2.1 煤的傅里叶红外光谱谱图中主要吸收峰的归属

2.2.2 褐煤煤的红外谱图分析

2.2.3 不黏煤的红外谱图分析

2.2.4 气煤的红外谱图分析

2.3.5 肥煤的红外谱图分析

2.3.6 焦煤的红外谱图分析

2.3.7 无烟煤的红外谱图分析

2.3 不同表面活性剂的傅里叶红外光谱实验分析

2.3.1 Q1表面活性剂的光谱分析

2.3.2 Q3表面活性剂的光谱分析

2.3.3 Q4表面活性剂的光谱分析

2.3.4 Q5表面活性剂的光谱分析

2.3.5 Q6表面活性剂的光谱分析

2.3.6 Q8表面活性剂的光谱分析

2.3.7 Q10表面活性剂的光谱分析

2.3.8 Q11表面活性剂的光谱分析

2.3.9 Q12表面活性剂的光谱分析

2.4 分析结论

2.4.1 煤样官能团随着煤阶的变化规律

2.4.2 表面活性剂官能团分布情况

2.5 本章小结

3 基于13C-核磁共振技术的煤与表面活性剂碳骨架结构分析

3.1 样品的制备及实验仪器简介

3.1.1 样品的选择

3.1.2 煤样的处理

3.1.3 表面活性剂的处理

3.1.4 实验仪器

3.2 13C-核磁共振谱图解析

3.2.1 13C化学位移及碳谱归属

3.2.2 煤样谱图分峰及分析

3.2.3 表面活性剂谱图分析

3.3 煤样13C-核磁共振结构参数分析

3.3.1 煤的结构参数

3.3.2 芳碳结构参数解析

3.3.3 脂碳结构参数解析

3.4 表面活性剂13C-核磁共振结构参数分析

3.4.1 表面活性剂的碳结构参数

3.4.2 芳碳结构参数解析

3.4.3 脂碳结构参数解析

3.5 本章小结

4 煤与表面活性剂之间润湿性影响因素分析及评价模型的构建

4.1 煤与表面活性剂之间润湿性的测定

4.2 影响煤尘润湿性的主要因素分析

4.2.1 从红外结构探究影响煤尘润湿性的主要因素

4.2.2 从核磁共振探究影响煤尘润湿性的主要因素

4.3 影响表面活性剂润湿性的主要因素分析

4.3.1 从红外结构分析影响表面活性剂润湿性的主要因素

4.3.2 从13C-核磁共振分析影响表面活性剂润湿性的主要因素

4.4 基于多项式拟合的润湿性影响参数优化

4.4.1 煤微观结构参数结构参数对润湿性的影响

4.4.2 褐煤样本中表面活性剂各微观结构对润湿性的影响

4.4.3 不粘煤样本中表面活性剂各微观结构对润湿性的影响

4.4.4 气煤样本中表面活性剂各微观结构对润湿性的影响

4.4.5 肥煤样本中表面活性剂各微观结构对润湿性的影响

4.4.6 焦煤样本中表面活性剂各微观结构对润湿性的影响

4.4.7 无烟煤样本中表面活性剂各微观结构对润湿性的影响

4.5 煤尘润湿性影响因素评价模型的构建

4.6 表面活性剂的润湿性影响因素评价模型构建

4.6.1 针对褐煤样本表面活性剂的润湿性影响因素评价模型构建

4.6.2 针对不粘煤样本表面活性剂的润湿性影响因素评价模型构建

4.6.3 针对气煤样本表面活性剂的润湿性影响因素评价模型构建

4.6.4 针对肥煤样本表面活性剂的润湿性影响因素评价模型构建

4.6.5 针对焦煤样本表面活性剂的润湿性影响因素评价模型构建

4.6.6 针对无烟煤样本表面活性剂的润湿性影响因素评价模型构建

4.7 本章小结

5 主要结论及工作展望

5.1 主要结论

5.2 主要创新点

5.3 工作展望

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况