本文關(guān)鍵詞：煤及熱解半焦粉末的溫和氧化解聚

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【摘要】：溫和氧化解聚是研究煤及煤衍生物有機(jī)結(jié)構(gòu)的重要手段,也是從中獲取羧酸等化學(xué)品的可行路徑。本文選取次氯酸鈉和過氧化氫-乙酸酐兩種氧化劑對(duì)煤和煤熱解半焦粉末進(jìn)行溫和氧化,通過不同分析手段對(duì)原樣、氧化殘?jiān)脱趸糜袡C(jī)物進(jìn)行表征,以期從分子水平了解煤和半焦粉末等重質(zhì)碳資源的結(jié)構(gòu)和組成,并為其氧化制取羧酸等精細(xì)化學(xué)品提供科學(xué)依據(jù)。晉城15#無煙煤(J5A)儲(chǔ)量豐富,但因其高灰、高硫和高灰熔點(diǎn)的特性而不能用于燃燒或者氣化。J15A煤化程度高,不易被氧化,但J15A有機(jī)質(zhì)中所富含的致密縮合芳環(huán)結(jié)構(gòu)卻為其轉(zhuǎn)化得到芳基化學(xué)品提供極大的優(yōu)勢(shì)。本研究先采用雙氧水預(yù)處理的手段,將羥基等含氧官能團(tuán)引入J15A的有機(jī)質(zhì)中,以提高有機(jī)質(zhì)的親水性和自身氧化反應(yīng)性能;然后采用次氯酸鈉水溶液對(duì)預(yù)處理過的J15A進(jìn)行六級(jí)逐級(jí)氧化,以盡可能地將其中的有機(jī)質(zhì)降解完全。分析各級(jí)氧化產(chǎn)物,可發(fā)現(xiàn)苯多酸是主要的氧化產(chǎn)物,且隨著氧化級(jí)數(shù)的增加,苯多酸的含量也隨之增加。通過后續(xù)的溶劑萃取操作,可在一定程度上將苯六甲酸富集(含量均超過34 wt%),表明高階煤溫和氧化制取苯多酸具有較大可行性。通過氧化產(chǎn)物收率分布及氧化殘?jiān)募t外分析,可將J15A中的有機(jī)質(zhì)分為外部組分和內(nèi)部組分;進(jìn)一步分析苯多酸的分布情況,可推斷J15A的外部組分富含直線型縮合芳環(huán)結(jié)構(gòu),而其內(nèi)部組分則富含致密型縮合芳環(huán)結(jié)構(gòu),這為高階煤中芳環(huán)結(jié)構(gòu)的分析提供了借鑒。氧化劑在煤氧化反應(yīng)中起著十分重要的作用,過氧化氫-乙酸酐作為氧化劑一方面可避免氯和氮等雜原子引入氧化產(chǎn)物,另一方面也可借助乙酸酐等有機(jī)介質(zhì)的存來促進(jìn)煤中有機(jī)質(zhì)在氧化體系中的分散,這些優(yōu)勢(shì)可促進(jìn)煤的氧化及其氧化產(chǎn)物的后續(xù)分離。通過煤模型化合物的氧化反應(yīng)可知,過氧化氫-乙酸酐可生成氧化活性強(qiáng)的羥基自由基(OH.),OH.優(yōu)先進(jìn)攻反應(yīng)物分子中的活性部位,通過加成和消除等反應(yīng)來氧化反應(yīng)底物。對(duì)比三種變質(zhì)程度不同煤的氧化效果,可以發(fā)現(xiàn)小龍?zhí)逗置?XL)最易被過氧化氫-乙酸酐氧化。優(yōu)化XL的氧化條件,可發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)其氧化效果影響較大,優(yōu)化的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間分別為50 oC和9 h。XL氧化產(chǎn)物以丙二酸和琥珀酸為主,這說明XL富含-CH2-和-CH2CH2-的橋鍵結(jié)構(gòu)。同時(shí),這也表明褐煤可作為生成某些脂肪酸的原料,為褐煤的非燃料利用提供了新的思路。半焦粉末產(chǎn)量巨大,但常被當(dāng)作“垃圾”而隨意丟棄,本研究即選取陜西神木縣所產(chǎn)半焦粉末(SCP)進(jìn)行過氧化氫-乙酸酐氧化�？疾觳煌瑮l件下SCP的單級(jí)氧化情況,可發(fā)現(xiàn)當(dāng)乙酸酐/SCP為60/1 m L/g、反應(yīng)溫度為50 oC、雙氧水/乙酸酐為2/1 m L/m L和反應(yīng)時(shí)間為60 h時(shí),單級(jí)氧化所得有機(jī)物的收率最高為16.77%,但剩余殘?jiān)章室哺哌_(dá)71%,這表明SCP的氧化性差,較難被氧化。用過氧化氫-乙酸酐對(duì)SCP進(jìn)行六級(jí)逐級(jí)氧化,可將其中的大部分有機(jī)質(zhì)降解。分析各級(jí)氧化產(chǎn)物,可發(fā)現(xiàn)第一級(jí)氧化產(chǎn)物中以二元酸化合物為主;隨后幾級(jí)氧化產(chǎn)物中苯多酸化合物的含量急劇升高。根據(jù)逐級(jí)氧化產(chǎn)物中化合物含量的變化規(guī)律,可將SCP中的有機(jī)質(zhì)分為外部組分、中部組分和內(nèi)部組分。外部組分包含較多的二芳基甲烷結(jié)構(gòu)和9,10-二氫菲或二氫苊結(jié)構(gòu),這些組分可能是煤熱解成焦時(shí),煤中大分子解聚形成的,它們因未及時(shí)蒸餾出去而構(gòu)成了SCP的外部組分。中部組分包含有較為豐富的縮合芳環(huán)結(jié)構(gòu),且從外到里芳環(huán)縮合度逐步提高,此部分應(yīng)該是原煤中原有的分子熱縮聚而成。內(nèi)部組分中含有較多的二芳基甲烷結(jié)構(gòu)和縮合度較低的芳環(huán)結(jié)構(gòu),這可能是在煤成焦時(shí)被包覆在SCP內(nèi)部的煤中原有成分�？焖俸腿娴胤治鲅趸a(chǎn)物的分子組成對(duì)煤氧化研究具有重要意義。大氣壓固體探針(ASAP)是一種新型的離子源,可省去繁瑣的預(yù)處理操作直接離子化樣品進(jìn)而分析樣品的分子組成,還可對(duì)分子量在500 u以上的大分子化合物進(jìn)行檢測(cè)。本研究將ASAP與飛行時(shí)間質(zhì)譜儀聯(lián)用(ASAP/TOF-MS),對(duì)一系列煤模型化合物進(jìn)行分析,結(jié)果表明縮合芳烴在ASAP中通過電子轉(zhuǎn)移或質(zhì)子轉(zhuǎn)移的方式被離子化生成非常穩(wěn)定的M+?或[M+H]+。M+?的含量最高,[M+H]+的生成量與縮合芳烴分子所具有的最大超離域能呈正相關(guān)性,沒有碎片離子產(chǎn)生。含橋鍵芳烴在ASAP中離子化時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的斷裂,其離子化生成的M+?或[M+H]+可進(jìn)一步通過斷裂和重排等反應(yīng)生成不同的碎片離子,碎片離子的生成量取決于碎片離子自身的穩(wěn)定性。在煤模型化合物分析的基礎(chǔ)上,ASAP/TOF-MS可快速、準(zhǔn)確地鑒定銅川煙煤和無煙煤J15A氧化產(chǎn)物中的分子組成。此外,ASAP/TOF-MS在褐煤難溶大分子骨架的氧化產(chǎn)物中檢測(cè)到了一系列分子量在500 u以上組成可能為四聯(lián)苯多酸的化合物。以上結(jié)果說明ASAP/TOF-MS可快速和全面地分析煤氧化產(chǎn)物的組成,從而有助于獲得更多的煤中大分子結(jié)構(gòu)信息。本論文有95幅圖,37個(gè)表,219篇參考文獻(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ530
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本文編號(hào)：1216570