马兰8号煤大分子结构模型构建及分子模拟

摘要

煤是我国经济发展的重要动力来源。随着我国工业的快速崛起和人民生活水平的不断提高，无论是资源的综合利用还是一次能源的深加工要求;特别是对煤的开采及利用都提出了更高的要求和目标。要解决以上问题必须对煤的分子结构深入研究，只有从根本上认识、理解了煤大分子结构的特征，才能将煤炭的价值发挥到最大。本文选择处于煤化作用拐点的山西太原西山马兰8号煤，为研究认识煤的变质机理提供理论指导。
　　文章以马兰8号原煤为样品，依次使用傅里叶转换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、13C固体核磁共振(13C-NMR)等实验设备对煤样进行分析。文章通过解析傅里叶转换红外光谱图，表征了煤大分子结构中碳、氧元素的赋存形态;对X射线衍射谱图的解析，得到平行芳香层片层间距(d002)，芳香核垂直方向的有效堆砌高度(Lc)，堆砌簇中芳香环层片的平均直径(La)，及芳香堆砌簇的平均层数（Nave）。本文通过肉眼可辨的高分辨率透射电子显微镜观察了煤大分子中芳香层片的排列情况;并使用Matlab等相关软件对高分辨率透射电子显微镜照片中的芳香层片晶格边缘进行提取，获得晶格参数;并将其与X射线衍射获得的具有相同意义的晶格参数进行比较，对解析结果进行修正。本文通过解析X射线光电子能谱图，表征了煤大分子结构中氮、硫、氧元素的赋存形态，并对各形态的比例进行了定量分析。本文又通过解析13C固体核磁共振波谱，对碳、氧元素赋存形态进行了定性、定量分析。得出了马兰8号煤大分子结构模型中甲基、亚甲基、次甲基的比例约为2∶3∶4;氧元素的存在形态以醚、酚、羰基为主，其比例约为5∶2∶3;芳香环类型主要有吡咯、吡啶、噻吩、苯、萘、葸、菲、四元芳香环等。由上述解析得到的各类元素信息，使用碳化学位移预测软件ACD/CNMR构建煤大分子结构模型，在gNMR软件里增加线宽后，与13C-NMR谱图进行对比，得到匹配程度较好的谱图，获得马兰8号原煤的大分子结构模型。文章使用Materials Studio软件中的Forcite模块，对煤大分子结构模型分别进行分子力学优化及动力学退火，得到能量最小的结构模型，既最稳定的构型。在此基础上，本文使用VAMP模块对结构模型中键长、键级和电荷布局数进行了量子力学计算;得出脂肪碳链在受到芳香官能团的影响后，其化学键变得相对稳定，而离芳香官能团较远的脂肪碳链键长较长，键级较小的结论。文中使用Amorphous Cell模块对马兰8号煤密度与能量的关系进行了探索，并获得了最低能量时的密度值，约为1.3g/cm3。将所获得的密度作为真实密度，本文还分别构建了含有一个、两个、三个和四个结构模型的周期性边界条件单元，并使用测量工具对周期性边界条件单元中出现的平行芳香层片进行对比总结，探索了了解认识煤中芳香结构的新方法，得出模拟计算值比实验测试值有偏差的结论。
　　通过以上对马兰8号煤实验与模拟计算相结合的分析，不仅加深了对马兰8号煤的认识，更拓展了对不同煤样研究的新方法、新思路，为指导煤的深加工、高效利用提供了理论指导。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 煤大分子结构的研究历程

1．1．1 煤大分子结构研究的历史

1．1．2 煤大分子结构研究的现状

1．1．3 煤大分子结构研究的发展趋势

1．2 研究背景、意义、内容及路线

1．2．1 研究背景

1．2．2 研究意义

1．2．3 研究内容

1．2．4 研究路线

第二章 样品采集处理及实验测试

2．1 样品的采集处理

2．2 实验部分

2．2．1 工业分析与元素分析

2．2．2 傅氏转换红外线光谱(Fourier Transform infrared spectroscopy，FTIR)

2．2．3 X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)

2．2．4 高分辨率透射电子显微镜(High Resolution Transmission Electron Microscopy，HRTEM)

2．2．5 X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)

2．2．6 13C核磁共振波谱分析(Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance，13C-NMR)

第三章 测试结果解析

3．1 红外光谱图解析

3．2 X射线衍射谱图解析

3．3 马兰8号煤的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)照片处理

3．3．1 电镜在认识煤自然状态的应用

3．3．2 电镜照片处理方法

3．3．3 电镜照片处理结果

3．3．4 处理结果与XRD数据分析的对比及对处理结果的评价

3．4 X射线光电子能谱

3．4．1 XPS对S元素的解析

3．4．2 XPS对N元素的解析

3．4．3 XPS对O元素的解析

3．5 13C核磁共振谱图解析

第四章 马兰8号煤大分子模型构建

4．1 大分子模型相关结构参数

4．2 大分子模型的构建与修正

第五章 分子模拟

5．1 引言

5．2 MS模块及其作用

5．3 控温方法

5．4 立场简介

5．5 最低能量构型

5．6 参数设置

5．7 优化结果

5．8 键能量模拟计算

5．8．1 参数设置

5．8．2 键长、键级模拟计算结果

5．9 密度的模拟计算

第六章 煤中芳香官能团存在形态探索

6．1 引言

6．2 技术路线

6．3 参数设置

6．4 结构模型参数

6．4．1 单个结构模型

6．4．2 两个结构模型

6．4．3 三个结构模型

6．4．4 四个结构模型

6．5 小结

第七章 结论

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文