侯马褐煤近临界水氧化特性及其结构模型构建探讨

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褐煤在我国煤炭储量中占有13%的比例,储量丰富。褐煤中含有大量的灰分,直接燃烧所造成的大气污染会远大于其他煤种。相对而言,褐煤的氧化液化过程中不会产生粉尘等污染物,其产物苯羧酸和各种小分子酸目前主要通过石油化工过程进行生产,有较为广泛的工业需求。因此,寻找一条褐煤氧化液化的有效路径,不仅能够清洁的利用煤炭资源,也能有效的缓解石油供给压力。近临界水具有很好溶解性、扩散性和催化性。与超临界水相比还有明显的技术经济优势,近年来国内外越来越多的学者开始研究近临界水,将它作为有机废物、生物质、废塑料等液化过程的溶剂,但是近临界水做煤液化溶剂的研究目前鲜有报道。  本文针对煤的传统氧化液化方法时间长,催化剂消耗大的缺点,将近临界水用于侯马褐煤的氧化液化。首先结合元素分析和红外光谱,构建了侯马褐煤大分子结构模型,并采用高斯理论进一步对其结构进行了计算优化,获得了侯马褐煤的结构和特征。接着通过分析低温催化氧化和近临界水氧化的固体残渣差异,研究了近临界水氧化褐煤的效果;研究了近临界水条件下,改变反应温度、反应时长和氧气压力时对水溶性酸产率的影响;进一步通过对比近临界水条件氮气氛围和氧气氛围下固体残渣的差异,研究了氧气在近临界水氧化中的作用及机理。文章还在侯马褐煤结构模型基础上,结合实验中得到的官能团断裂规律,得到了氧化反应路径和最终产物分布。结果表明:  ①侯马褐煤结构模型的分子量为2794,分子式为 C165H162N2O33S3。采用高斯软件将构建的褐煤大分子结构模型优化,并计算频率得到其红外谱图。模型的红外谱图与实验图谱匹配,模型构建合理。该模型准确的体现了侯马褐煤的结构特征和实验参数。  ②近临界水条件下固体残渣的有机结构侧链较少,晶体化程度较高,煤的芳香结构能够在5分钟内被快速有效的降解,远好于传统氧化两个小时的结果,表明近临界水的氧化性和催化性对褐煤氧化起到了明显促进作用。近临界水条件下,褐煤的表面由丰富的褶皱和片层形态,变成了絮状结构,矿物质含量的比例占主导,同样说明了近临界水在短时间内将褐煤有机结构降解液化。低温组样品中羧基、酚羟基、芳香醚、烷基醚浓度都随着反应温度的升高而增加,这一条件下含氧官能团的生成速率要大于反应速率,处于初步降解阶段;而在近临界水条件下样品中除烷基醚浓度保持不变,其他都大大降低,煤氧解成水溶性物质。  ③得到褐煤氧化液化过程中官能团的稳定性排序:烷基醚>芳基醚、酚羟基、OH-π和OH-OH>环羟基>脂肪链末端甲基>羧基。  ④近临界水条件下反应温度和反应时长对产物收率都有重大影响,氧气压力对近临界水中煤的氧解反应影响较小。以侯马褐煤为原料进行近临界水氧化液化获得水溶酸最高产率的反应条件是反应温度300℃、反应氧初压5MPa、反应时长5min。  ⑤发现外界氧气是近临界水氧化原料的主要来源,自由基理论适用于近临界水氧化,自由基起到了强氧化剂的作用,其溶解性消除了扩散限制,大大的提高了反应速度。  ⑥以褐煤氧解规律为依据,侯马褐煤模型结构氧化得到的最终液体产物主要以苯二甲酸、苯三甲酸、苯四甲酸、乙酸和草酸等小分子酸为主,含有少量的苯五甲酸,没有苯六甲酸。结果表明,可以通过适当的控制氧化条件,提高目标产品的产率。
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