东乌煤及不同化学组分的傅里叶红外分析

陈 燕，赵 剑

（1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.山西焦煤西山煤电，山西 太原 030024）

东乌煤及不同化学组分的傅里叶红外分析

陈 燕1，赵 剑2

（1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.山西焦煤西山煤电，山西 太原 030024）

通过对东乌煤及其腐殖酸、抽提腐殖酸残煤、抽提沥青质残煤进行傅里叶红外分析，揭示抽提腐殖酸和抽提沥青质实验对煤结构的影响。结果表明：由于酸碱溶液的影响，腐殖酸残煤中芳香烃振动的峰，脂肪烃的伸缩振动峰，3400cm-1附近的峰都变弱；由于吡啶溶剂的影响，沥青质残煤中反映芳香结构的峰变尖锐；煤样的fa随H/C增加有减小趋势，而随着O/C的增加呈增大趋势；煤样中腐殖酸的脂肪链最长，支链最少；腐殖酸残煤的脂肪链最短，支链最多。

傅里叶红外分析；煤结构；沥青质；腐殖酸

煤作为一种宝贵的自然资源，由于其组成和结构都极其复杂，因此人们从过去相当长的时间到现在都在对其进行研究、认识和探索[1,2]。在上世纪80年代，由于傅里叶变换红外光谱法(FTIR)使测试的信噪比和探测极限得到了大幅提升，因此，有学者将该方法引入到煤的化学成分和结构的研究中[3]。琚宜文[4]等应用傅里叶变换红外光谱法对不同类型的构造煤结构成分应力效应进行了分析。张蕤[5]应用FTIR对吐哈盆地的柯柯亚地区煤样在不同气化温度下煤化学结构的变化特征进行了研究。余海洋[6]应用FTIR对江西省乐平地区晚二叠世后形成的煤样在不同气化温度下的结构变化特征及其规律进行了研究，为深入的剖析了煤样的生烃机制和评价成烃潜力提供了理论基础。基于以上研究，本文主要采用FTIR技术来定量分析煤中结构类型，考察抽提腐殖酸和抽提沥青质实验对煤中结构类型和数量的影响。

1 实验部分

本文所选煤样是来自内蒙古二连盆地东乌珠穆沁旗的乌尼特煤矿的褐煤，将煤样磨至200目，进行抽提腐殖酸和抽提沥青质处理，得到原煤、腐殖酸、抽提沥青质残煤和抽提腐殖酸残煤五种煤样。在VERTEX70红外光谱仪上进行傅里叶红外测试。将溴化钾作为载体，煤样和载体以1:100的比例混合研磨，在压片机上压制成直径13mm，厚度0.1mm～1.0mm的透明薄片。红外光谱仪以4.0cm-1的分辨率累加扫描16次，得到如图1的红外光谱图。根据前人的研究，总结得到主要红外光谱特征吸收峰的归属，如表1所示[7]。

表1 煤红外光谱主要吸收峰的归属

2 煤样的傅里叶红外分析

2.1 不同煤样的傅里叶红外分析

2.1.1 抽提腐殖酸对煤结构的影响

图2是原煤和抽提腐殖酸残煤的红外光谱及差减光谱，对其进行FTIR分析。由图可知：在549cm-1附近，原煤有一明显的峰，而HA残煤此处的峰非常小，此处的峰归属于Si-O-Si和Si-O-的弯曲振动[8,9]和有机硫（芳香族双硫醚-S-S-或-SH）的伸缩振动[10]，又由图1可知腐殖酸在此处的峰也非常微弱，这说明抽提腐殖酸的过程中，这些结构大部分被破坏了；原煤在1607cm-1处，HA残煤在1568cm-1处各有一峰，此处的峰归属于芳香烃的C＝C振动，原煤的峰较尖锐，HA残煤的峰提前；原煤在2356cm-1处附近，HA残煤在2344cm-1处附近各有两个峰，此处是CO2等噪音物质引起；在2800cm-1～3000cm-1这一阶段，原煤的峰较HA残煤尖锐，说明原煤中含有较多的脂肪官能团；3400cm-1附近的峰，原煤也较HA残煤尖锐，说明原煤中含有较多的羟基。

图1 各煤样红外光谱图

图2 煤样抽提腐殖酸前后的红外光谱变化

图3 煤样抽提沥青质前后红外光谱的变化

2.1.2 抽提沥青质对煤结构的影响

原煤和原煤抽提沥青质残煤的红外光谱及差减光谱如图3，对其进行FTIR分析。沥青质残煤和原煤相比：537cm-1附近归属于Si-O-Si和Si-O-的弯曲振动[8,9]和有机硫（芳香族双硫醚-S-S-或-SH）的伸缩振动[10]的吸收峰，原煤较尖锐；反映芳环结构的抽提沥青质残煤的693cm-1，752cm-1的特征吸收峰较原煤有较明显的突出；原煤在1393cm-1处的峰较残煤在1374cm-1处的的峰尖锐，此处归属于烷键结构上的CH2、CH3变形振动，说明原煤中含有较多此种结构；原煤在1598cm-1处的峰较残煤在1587cm-1处的峰尖锐，此处归属于芳香族中芳核的-C=C-伸缩振动，说明原煤中含有较多此种结构；反映脂肪结构的抽提沥青质残煤的 2841cm-1，2927cm-1，3433cm-1的特征吸收峰较原煤的2850cm-1，2918cm-1，34363cm-1的特征吸收峰显著减弱。以上现象说明残煤主要富集的是含芳环结构的成分和矿物质，而抽提物可能主要富集脂肪族成分[11]，有待后面分析。

3 各煤样的红外结构参数

3.1 芳碳率

由于客观因素的存在，为计算芳碳率，本文假设仅有芳碳与脂碳这两类碳原子类型存在于煤中。因为褐煤煤化度低，羧酸含量大于其他煤样，因此对计算结果的准确性有影响。芳碳率公式[12]如下：

式中：Cal/C在此表示脂肪碳含量的百分比；Hal/H代表脂肪氢含量的百分比；H/C结果来自于前面工业元素分析中氢、碳两种原子的个数比；Hal/Cal是煤结构中脂肪簇团的氢、碳两类原子数之比，经验值根据前人的研究成果取1.8。

由上可得原煤、HA残煤和沥青质残煤的芳碳率如表2所示。

表2 由红外光谱得到的各煤样的fa值

由表2可得煤样芳碳率受到抽提腐殖酸和抽提沥青质实验的影响，经处理后的煤样的芳碳率较原煤都有所增加。沥青质残煤芳碳率最高，这说明煤样中所含芳碳结构高。另外由煤样工业元素分析的结果与fa对比分析可得，fa随H/C增加有减小趋势，而随着O/C的增加呈增大趋势。

3.2 其他结构参数

由表3可得煤样的FTIR结构参数主要反映了煤样的富氢程度、芳构化程度、脱氧指数和富脂链长度。本文所研究的的煤样的结构参数如表4所示。CH2代表的是脂环、脂族链及芳烃侧链的直链部分，而CH3代表的是脂环侧链、脂肪烃侧链及芳烃侧链的支链部分，因此本文可用2924cm-1/2970cm-1计算得到CH2/CH3，由此来得到煤中脂肪链的长度和支链化程度[13]，经比较可得：原煤的富氢程度参数都大于其它煤样，说明原煤的富氢程度最高；原煤的芳构化参数小于其他煤样，说明原煤芳构化度低；腐殖酸脱芳香族C=O度最高，沥青质残煤脱脂肪族C=O度和脱总氧C=O度都最高；腐殖酸的脂肪链最长，支链最少，腐殖酸残煤的脂肪链最短，支链最多。

4 结论

1）由于酸碱的作用，腐殖酸残煤中芳香烃振动的峰、脂肪烃伸缩振动的峰及3400cm-1附近的峰都变弱。

2）由于吡啶溶剂抽提的影响，沥青质残煤中反映芳香结构的峰较尖锐。

3）煤样的fa随H/C增加有减小趋势，而随着O/C的增加呈增大趋势。

表3 煤FTIR结构参数及其意义

表4 煤样FTIR结构参数值

4）腐殖酸的脂肪链最长，支链最少；腐殖酸残煤的脂肪链最短，支链最多。

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Fourier Infrared Analysis on Dongwu Coal and DifferenTChemical Composition

CHEN Yan1,ZHAO Jian2
(1.Taiyuan University oFTechnology,Taiyuan Shanxi 030024，2.Xishan Coal Electricity Group Co.,LTD.,Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan Shanxi 030024)

The Fourier infrared analysis on Dongwu coal,its humic acid,the residual coal after extracting humic acid and asphaltene reveal the influence oFextracting experimenToFhumic acid and asphaltene on the coal structure.The resulTshows:under the influence oFacid-base resolution,aromatic peak,hydrocarbon stretching vibration peak,and peak around 3400cm-1decrease in humic acid residue;under the influence oFpyridine solvent,the aromatic peak becomes sharp in asphaltene residue;the fa oFcoal sample shows decreasing trend with the H/C increase and increasing trend with the O/C increase;while the humic acid in the sample has the longesTaliphatic chain and the leasTbranched chain,the humic acid residue has the shortesTaliphatic chain and the mosTbranched chain.

Fourier infrared(spectroscopic)analysis;coal structure;asphaltene;humic acid

TQ530

A

1672-5050（2011）07-0032-04

2011-04-25

陈 燕（1985—），女，山西太原人，在读硕士研究生，从事煤田地质的研究工作。

徐树文