煤的抽提过程中CS2/NMP与煤中氢键作用的量子化学研究

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煤炭是不可再生的重要化石资源,为了开发更加洁净化的煤化工工艺和更充分地利用煤炭,对煤结构和性质的研究十分重要。溶剂抽提是研究煤结构和性质的有效方法之一。抽提溶剂通过破坏煤大分子相互间的弱作用力(主要是氢键作用力),来获得煤中小分子进而对煤大分子结构进行研究。CS2/NMP(1:1, v/v)混合溶剂在常温下对煤具有相对于其他溶剂或其他组合的混合溶剂有明显突出的抽提效果。目前,量子化学计算方法被广泛应用于煤的研究中,并且已经成为研究煤的结构和性质的有效工具。针对煤的特定属性构建相应的模型进行理论计算,能够合理解释相应的实验事实,并能够为实验提供较好的理论预测,进而指导实验。本论文依托已有的实验结果和理论计算结果、在保证主要化学特性的前提下,对溶剂抽提煤炭实际过程中的痕量NMP、纯NMP溶剂和CS2/NMP(1:1, v/v)溶剂的量子化学模型进行简化,构建了与之对应的S-NMP、D-NMP和IM三种在量子化学计算上容易操作的溶剂模型。同时,对煤中OH---N型、OH—ether O型、Cyclic OH型等三类氢键,通过量子化学计算方法对其与抽提溶剂的相互作用过程进行理论研究,旨在探究和明确CS2/NMP(1:1,v/v)溶剂在煤的抽提过程中可以破坏的氢键类型和不能实现破坏作用的氢键类型,进而对该混合溶剂具有高抽提率的微观原因进行探究。本文的主要结论有:1)CS2/NMP(1:1,v/v)溶剂对煤中OH---ether O型和OH---N型氢键具有较强的破坏作用,它对煤的高抽提效果主要是通过破坏煤大分子中这两类氢键从而得以体现;2)通过对比痕量NMP、纯NMP和CS2/NMP(1:1,v/v)溶剂与OH---ether O型和OH---N型氢键作用的结果发现,CS2加入到纯NMP溶剂中起到了释放NMP本身具有的破坏煤中这两类氢键的能力的作用;3)煤大分子中含有的Cyclic OH型氢键结构稳定,CS2/NMP(1:1,v/v)溶剂不能将该氢键破坏甚至削弱,这也是该溶剂没有实现完全抽提的微观原因之一。
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