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煤自燃是制约煤炭工业安全可持续发展的主要灾害之一。现有的各种煤自燃防治技术中,能对煤化学结构产生影响并从本质上改变煤自燃氧化进程的防灭火材料研究已成为煤矿安全领域的主要热点之一。室温离子液体是一类完全由阴阳离子组成的在室温或室温附近温度下呈液态的盐类物质(简称离子液体),目前在许多领域有着广泛应用。本文以离子液体在煤自燃防治领域的应用为研究宗旨,主要研究了咪唑类和季膦盐类两类室温离子液体对煤氧化进程热失重、放热量、气体产物、微观有序碳结构以及表面官能团等的影响,揭示不同种类离子液体影响煤氧化进程的微观作用过程,为寻找能显著减弱煤氧化活性的防灭火材料研究提供实验依据和理论参考。 首先利用热重、红外光谱和拉曼光谱技术系统研究了褐煤、烟煤、无烟煤三种不同煤级煤的氧化特性差异及其微观结构变化过程。结果显示三种煤样的热失重特性差异明显,可以直观有效的表征不同煤样间氧化活性的差异。拉曼光谱能够提供关于煤中有序碳结构的信息,红外光谱能进一步揭示煤表面官能团的种类含量,两种光谱的配合使用能全面揭示不同氧化活性煤样的微观化学结构差异。 通过热重、差热和红外光谱分析技术系统研究了9种咪唑类离子液体[EMIm][BF4]、[EMIm]Ac、[BMIm][BF4]、[BMIm]Ac、[AMIm][BF4]、[HOEtMIm][BF4]、[HOEtMIm][NTf2]、[AOEMIm][BF4]和[EOMIm][BF4]对褐煤氧化特性的影响。热重分析结果显示离子液体处理对煤的氧化热失重量有显著的减弱作用,其中最有效的是[HOEtMIm][BF4]和[HOEtMIm][NTf2],效果最弱的是[AMIm][BF4]。差热实验结果也显示[HOEtMIm][BF4]、[HOEtMIm][NTf2]处理煤的放热量均很小,且煤结构的氧化反应进程被延迟。红外光谱结果显示离子液体处理能有效破坏煤中的氢键,并改变煤中羰基、醚键的含量。在氧化过程中,[HOEtMIm][NTf2]、[HOEtMIm][BF4]处理煤中的氢键、醚键活性在氧化初期被减弱,另外随着氧化程度加深,羰基结构的生成量也减少。氧化活性减弱程度较小的[AMIm][BF4]、[BMIm]Ac处理煤在氧化初期的醚键活性仍较强,不过随着氧化程度加深,羰基结构的生成量也减少。 通过热重、红外光谱、拉曼光谱和程序升温质谱技术分析比较了9种季膦盐类离子液体[P6,6,6,14]Cl、[P6,6,6,14]Br、[P6,6,6,14][Bis]、[P6,6,6,14][N(CN)2]、[P6,6,6,14][NTf2]、[P4,4,4,1][MeSO4]、[P4,4,4,2][DEP]、[P4,4,4,14][MeSO4]和[P4,4,4,1][NTf2]对褐煤氧化特性的影响。热重实验结果揭示了离子液体处理能显著减弱煤的氧化活性,其中[P4,4,4,2][DEP]的作用最强,[P6,6,6,14][N(CN)2]的作用最弱。与咪唑类离子液体相比,[P4,4,4,2][DEP]仍是减弱煤氧化热失重量最显著的离子液体。拉曼光谱结果显示季膦盐类离子液体处理后煤的碳结构有序度增加。红外光谱结果显示离子液体处理能不同程度的破坏煤中的氢键结构,改变煤中羰基、醚键的含量,并进而影响这些活性结构的氧化反应历程。 选取了4种对煤氧化活性减弱效果显著的离子液体[P4,4,4,2][DEP]、[P4,4,4,1][MeSO4]、[P6,6,6,14][Bis]和[P6,6,6,14]Cl作为阻化剂添加到褐煤样品中,分析离子液体对煤氧化进程的抑制作用。热重实验结果发现各类离子液体添加剂的存在均不同程度的减弱了煤的氧化活性,且作用效果都要强于CaCl2阻化剂,其中减弱程度最大、效果最强的离子液体仍然是[P4,4,4,2][DEP]。利用添加剂模型评价了各离子液体添加剂与煤之间的相互作用类型及作用强度,发现离子液体添加剂煤样的实际失重均小于理论失重,证明了离子液体与煤之间确实存在着相互作用,且这种作用表现为对煤氧化进程的阻碍作用。在氧化初期,离子液体的覆盖作用及对煤结构的破坏作用是主要的阻化机制。随着氧化继续进行,离子液体发生氧化热分解,离子液体的夺氧作用、气体产物对氧气的稀释作用、残渣的覆盖作用以及离子液体的存在对煤中稳定羰基生成反应的促进作用和对活跃羰基生成反应的抑制作用共同表现为对煤氧化过程强烈的阻碍作用,且这种阻碍作用随着温度升高进一步增强。 最后分析了离子液体[P4,4,4,2][DEP]的不同添加比例(0.5、2、5、8％)对褐煤氧化进程的阻化作用以及5%[P4,4,4,2][DEP]添加量对烟煤、无烟煤氧化过程的影响。随着离子液体添加比例的增加,阻化作用增强。不过增强的趋势并不是线性趋势,说明存在最佳的离子液体含量值,能使离子液体既表现出最佳阻化效果也能实现经济可行性。离子液体[P4,4,4,2][DEP]的添加减弱了烟煤和无烟煤的氧化增重程度,且能延迟增重段的开始温度,验证了该离子液体阻化作用的普适性。