煤中有机硫微波脱除的量子化学模拟与实验研究

摘要

煤中硫组分的脱除，特别是煤中有机硫的脱除长久以来都是煤炭清洁高效利用所面临的难题。尽管目前微波辅助的煤炭脱硫技术已经应用于部分实际生产中，但对于微波辅助脱硫的机理研究仍未取得关键进展。随着计算机技术以及相关理论的发展，量子化学计算方法在煤化学中的应用也越来越广。本文依托于量子化学方法，将煤中有机硫简化为几种类煤有机硫模型化合物，同时基于微波作用原理，将微波场简化为电场，研究了煤中有机硫结构对微波能量的量子化学响应以及微波场对有机硫反应性的影响。　　通过对比两种山西高硫焦煤的硫分组成，选取了硫含量更高、有机硫比重更大的山西新峪煤作为后续研究用煤。XPS初步分析表明新峪煤中的有机硫主要以噻吩、硫醇、硫醚的形式存在，噻吩的含量更高。通过离心分组纯化，选取有机硫纯度较高的低密度煤作为萃取原煤，对分组溶剂萃取得到的萃取物进行鉴定分类，了解煤中有机硫的赋存形态，构建类煤有机硫模型。新峪高硫煤萃取产物中的有机硫小分子包括二苯并噻吩，二甲基亚砜，3-甲基二苯并噻吩，4-甲基二苯并噻吩，4,9-二甲基-萘并[2,3-b]噻吩，4,6-二甲基苯并噻吩，3-甲基苯硫酚，4,9-二甲基-萘并[1,2-d]噻吩和亚硫酸二丙基酯。结合煤炭大分子结构理论，选取苄基硫醇、二苯并噻吩、二苯基亚砜、二苄基硫醚和3-甲基苯硫酚作为本研究后续适用的类煤有机硫模型化合物。　　依托 Gaussain软件平台,对上述类煤有机硫模型化合物的部分量子化学性质进行了研究，并比较了不同强度外加电场对它们的影响。从几何构型来，多数含硫模型化合物中的苯环主体结构都比较稳定。而对于含有硫原子的局部结构来说，大部分C-S键在外加电场的作用下，有键长伸长的趋势。另外，硫原子附近的结构有时会出现反常的构型变化，这可能是因为受到硫原子的影响。从分子布居来看，碳原子所带电荷对外加电场的响应比较复杂，对于不同结构，碳原子所带负电荷在某些强度的电场中增多，而同时也存在某些强度的外加电场会使碳原子附近的电子云密度降低。而对于硫原子来说，大多数情况下，外加电场会使硫原子的电负性增强。从分子的振动光谱来看，各类含硫化合物间的差异以及同一局部结构不同振动形式的差异依旧明显。对于确定的局部结构，某一种分子振动形式，总存在某一强度的外加电场能在最大程度上强化这一振动形式，同时也存在一定强度的外电场能在最大程度上弱化这一振动形式。　　微波辅助的氧化脱硫实质上还是煤中有机硫与氧化剂发生化学反应，本文中选取苄基硫醇和二苯并噻吩代表煤中有机硫，采用量子化学方法对这两种含硫有机物与过氧化氢的反应进行了模拟，并记录了反应中的物态发展及能量变化。计算模拟发现煤中有机硫的氧化是多步反应过程，主要经历了氧原子对硫原子的进攻，氢的转移以及 O-O键的断裂历程。外加电场改变了反应过程中各物态的能量，降低了反应决速步的能垒，降低了反应的活化能。　　以新峪高硫煤为实验煤样，采用过氧化氢为氧化助剂，进行了微波辐照条件下的煤炭脱硫实验，重点关注微波脱硫后煤质的变化以及煤中有机硫的形态变化，并结合前文的研究对微波脱硫原理进行初步探讨。对煤质的分析发现，脱硫后，煤样的灰分降低，挥发分略微升高，但同时脱硫煤的粘结指数，发热量均出现下降。对于本就具有复杂结构的煤炭而言，微波辐照下的氧化脱硫是一个相当复杂的过程。而微波在脱硫反应过程中所发挥的作用也是多面的，一方面，其热效应促进脱硫反应的进行，另一方面，微波本身所具有的特殊效应能够直接作用与煤中的有机硫结构，从本质上影响有机硫结构的微观化学形态及化学反应特性，从而促进煤中有机硫的氧化与脱除。

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1 绪论

1.1 课题来源 (Source of Subject)

1.2 选题背景和意义 (Background and Significance)

1.3研究内容和方法 (Main Research Contents)

1.4 研究方法 (Investigation Methods)

1.5 技术路线图 (Schematic Investigation Procedure)

2 文献综述

2.1 微波脱硫技术的研究现状(Research Status of Microwave Desulfurization Technology)

2.2 量子化学在煤结构及其性质研究中的应用现状 (Application of Quantum Chemistry in the Structure and the Reaction Prosperity of Coal)

2.3量子化学在煤炭有机硫脱除研究中的应用(Application of Quantum Chemistry in the Removal of Organic Sulfur From Coal)

3 量子化学基础理论

3.1 引言(Introduction)

3.2 薛定谔方程及其近似理论(Schrodinger Equation and its Approximation)

3.3 过渡态理论(Transition-State Theory)

3.4 密度泛函理论(Density Functional Theory)

4类煤有机硫模型化合物的构建

4.1 引言(Introduction)

4.2高有机硫煤煤样制备与煤质分析 (Preparation and Characterization of High-Organosulfur Coal Sample)

4.3煤中有机硫的检测与鉴定 (Detection and Identification of Organic Sulfur in Coal)

4.4类煤有机硫模型化合物的构建(Construction of Coal-Like Organosulfur Model Compound)

4.5小结 (Brief Summary)

5电场对类煤有机硫量子化学性质的影响

5.1 引言(Introduction)

5.2 微波场的简化(Simplification of Microwavefield)

5.3计算方法(Calculation Method)

5.4模型化合物分子的几何构型(Geometric Configuration of Coal-Like Organosulfur Model Compounds)

5.5模型化合物分子的布居数分析(Population Analysisof Coal-Like Organosulfur Model Compounds)

5.6模型化合物分子的振动光谱分析(Vibration Spectrum of Coal-Like Organosulfur Model Compound)

5.7 小结(Brief Summary)

6 微波-氧化脱硫的量子化学模拟

6.1 引言(Introduction)

6.2 苄基硫醇的微波-氧化反应(Microwave-Oxidization Reaction of Benzyl Mercaptan)

6.3 二苯并噻吩的微波-氧化反应(Microwave-Oxidization Reaction of Dibenzothiophene)

6.4 小结(Brief Summary)

7煤中有机硫微波脱除的实验研究

7.1 实验准备(Preparation Work)

7.2 微波脱硫对煤质的影响(The Effect of Microwave Desulfurization on The Properties of Coal)

7.3 微波脱硫煤样的仪器分析(Instrumental Analysis of Coal Samples Before andAfter Microwave Desulfurization)

7.4微波脱除煤中有机硫的机理分析(Mechanism Analysis of Sulfur Removal from Coal with Microwave Radiation)

7.5小结(Brief Summary)

8结论与展望

8.1 结论(Conclusions)

8.2 展望(Prospects)

参考文献

作者简历

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