煤分子結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及優(yōu)化研究

張志軍，王 露，李 浩

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

在我國能源體系中，煤炭是儲量最大的不可再生能源，同時也是重要的基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料［1-2］。正確認(rèn)識煤的分子結(jié)構(gòu)特征對實現(xiàn)煤炭合理利用及高效轉(zhuǎn)化具有重大意義。 許多現(xiàn)代分析測試技術(shù)可用于研究煤的結(jié)構(gòu)特征，如傅里葉紅外光譜（FTIR）、X 射線衍射（XRD）、X 射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜、核磁共振碳譜（13C-NMR）和高分辨率透射鏡（HRTEM）等。 近半個世紀(jì)以來，國內(nèi)外煤炭研究學(xué)者們致力研究煤的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)煤中有大量的親水基團(tuán)和縮合芳環(huán)，且隨著變質(zhì)程度的升高，煤中芳香環(huán)數(shù)增加而脂肪結(jié)構(gòu)不斷減少［3-5］。 同時，學(xué)者們利用化學(xué)試驗研究和現(xiàn)代測試技術(shù)對煤的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出了130 多種煤的大分子結(jié)構(gòu)模型［6］，例如，著名的Wiser 模型［7］、Given 模型［8］、Shinn 模型［9］等。 這些結(jié)構(gòu)反映出不同變質(zhì)階段的煤分子結(jié)構(gòu)，在一定程度上解釋了煤的浮選、溶脹裂解以及氣體吸附等行為［10-13］。 隨著近幾年計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在研究復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)及體系時，計算化學(xué)對試驗的輔助及應(yīng)用越來越成熟［14-15］。 構(gòu)建煤的分子模型是對其進(jìn)行分子模擬的基礎(chǔ)，通過分子模擬計算獲得煤的合理分子結(jié)構(gòu)可為進(jìn)一步選擇浮選藥劑提供理論基礎(chǔ)。

以淮北礦業(yè)集團(tuán)青東煤礦煤為研究對象，通過工業(yè)分析、元素分析、13C-NMR、XPS 等測試對其分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立青東煤的單個大分子結(jié)構(gòu)模型及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)模型。 為尋找單……