煤炭是我国重要的基础能源,湿法分选是当前应用最广泛、有效的煤炭提质方法。煤炭分选和脱水效率与煤表面水化性质密切相关,因此研究煤表面水化特性和调控机制对煤炭清洁利用具有重要意义。本文以“煤分子模型-水化机理-水化调控”为主线,选取永城无烟煤、淮南气煤和大柳塔长焰煤为研究对象,首先对煤的结构特征进行检测分析,构建三种不同变质程度煤的大分子结构模型,然后基于分子模拟方法、表面能分析和煤水润湿热测量,探索了煤表面水化机理及Na+/Ca2+离子对低变质程度煤表面水化影响机制,为有效调控煤炭分选和过滤脱水过程中煤表面的水化影响提供理论基础。论文的主要研究内容和结论如下:首先,对各超低灰煤样进行XRD,13C NMR,HRTEM,FTIR和XPS检测分析。结果表明:永城无烟煤、淮南气煤和大柳塔长焰煤的芳碳率分别为71.79%、60.03%和60.48%,相比于淮南气煤和大柳塔长焰煤,永城无烟煤中碳多以芳环形式存在,且含有较多大尺寸的芳香层片;大柳塔长焰煤和淮南气煤中的脂肪碳含量较永城无烟煤多,其中大柳塔长焰煤的脂肪侧链以长链为主,气煤以中短链为主,永城无烟煤只包含少量短链;煤中杂原子以O为主,N次之,S含量极少,O主要以羟基、醚氧基、羰基、酯基和羧基形式存在,N主要以吡啶和吡咯形式存在。基于煤结构检测分析参数,构建永城无烟煤、淮南气煤和大柳塔长焰煤结构模型,分子式分别为C238H153N3O10,C227H173N3O24和C210H150N2O39,修正后的模型13C NMR计算谱与测试谱能够较好吻合,说明模型具有代表性。接着,基于密度泛函理论计算分析了煤表面含氧官能团与水分子间的相互作用。结果表明:各类含氧官能团与水分子间均形成氢键,羧基中的两个O原子荷电值分别为-0.63e,和-0.5e,而与其中一个O以共价键相连的H原子荷电值为+0.54e,这使得羧基同时作为质子受体和供体源与水分子形成两个氢键;羟基作为质子供体源与水分子形成一个氢键;羰基、酯基和醚氧基均作为质子受体源与水分子形成一个氢键;键长排序为:酯基＞醚氧基＞羰基＞羟基＞羧基。各官能团与水分子间的相互作用能都为负值,绝对值大小顺序为:羧基＞羟基＞羰基＞醚氧基＞酯基。这说明含氧官能团与水分子间由于氢键作用而表现为相互吸引,且按照羧基、羟基、羰基、醚氧基、酯基的顺序依次减弱。煤表面亲水性定量分析计算结果表明,煤表面亲水性与含氧官能团种类和含量紧密相关,由于低变质程度的大柳塔长焰煤中含氧官能团总含量远大于淮南气煤和永城无烟煤,且羧基含量明显高于其他两种煤,导致其表面与水分子间相互吸引作用更强。然后,运用分子动力学模拟研究了不同煤表面水分子吸附和运动特性。结果表明:淮南气煤、永城无烟煤、大柳塔长焰煤体系中煤水界面处水分子最大密度分别为1.1031g/cm~3、1.1005g/cm~3和1.1760g/cm~3,形成了大于体相水密度的水分子层。定义Z轴方向上水分子开始出现至达到最大密度之间的水分子层为水化层,淮南气煤、永城无烟煤、大柳塔长焰煤体系水化层厚度分别为19.36?、20.12?和23.72?;体系对应的煤水相互作用能分别为-785.46kcal/mol、-842.93kcal/mol和-1057.42kcal/mol。淮南气煤、永城无烟煤和大柳塔长焰煤表面自由能及其极性分量依次增加,同时测得煤水润湿热分别为-32.35J/g、-37.65J/g和-63.42J/g,与分子模拟结果一致,淮南气煤、永城无烟煤、大柳塔长焰煤表面水化作用逐渐增强。最后,探索了Na+/Ca2+离子对低变质程度长焰煤表面水化影响机制。结果表明:Na+/Ca2+离子与煤表面含氧官能团间存在较强吸引作用,大部分Na+/Ca2+离子吸附在煤表面上,削弱了煤水界面处水分子间的联系,使得体系中水分子具有更强的脱离界面扩散至体相的能力,降低了离子体系中煤水界面附近的水分子密度;同时部分离子能够优先于水分子扩散至煤结构内部空隙中,减少水分子在煤结构空隙中的扩散。煤水体系、钠离子体系和钙离子体系中水分子在煤水界面处的最大密度分别为1.1760g/cm~3、1.1594g/cm~3和1.1380g/cm~3,水化层厚度分别为23.72?,15.94?和13.56?。相比于Na+离子,Ca2+离子与长焰煤表面含氧官能团的相互吸引更强,更易于吸附在煤表面上,削弱煤表面对水分子的束缚,从而降低煤水界面处水分子密度,对长焰煤表面水化作用表现出更显著的弱化效果。论文共计图片45幅,图表35个,参考文献144篇。