矿物质和氢键对褐煤油煤浆流变特性的影响

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褐煤储量丰富,地区分布十分广泛,并且具有价格低廉、化学反应性强等优点。但是褐煤也具有矿物含量高和氧含量高的特点,褐煤中的氧除了以水分的形成存在外,其它大部分的氧元素都以含氧官能团的形式存在。这些含氧官能团大多会形成氢键,因此氢键含量高也是褐煤的重要特点之一。褐煤的这些特点严重影响了褐煤的开发利用。煤直接液化技术可以清洁高效地将煤转化为液体燃料,以缓解目前我国燃料油紧缺的现状。油煤浆的流变性则是影响煤直接液化的重要因素,因此本论文系统地研究了煤中矿物质对褐煤油煤浆流变性的影响。在以上研究的基础上,提出了油煤浆的流变机理,并进一步探索了升温过程中芳香性溶剂和矿物质对褐煤中氢键的影响。得到了以下主要结论:  (1)石英和粘土类矿物降低了褐煤油煤浆的黏度和触变性,金属离子则提高了褐煤油煤浆的黏度和触变性。含矿物质的油煤浆在不同温度下均保持含屈服应力的假塑性流体,而去除矿物后,油煤浆随温度升高由含屈服应力的假塑性流体变为宾汉流体。  (2)煤表面的羟基和溶剂中芳香性分子间形成的OH-π氢键是构成褐煤油煤浆结构的主要作用力。升温过程中,金属离子通过催化氢键分解而增加了自由羟基的数目,同时金属离子稳定了羧基从而避免了大量羧基形成羧酸二聚体而阻碍含羟基小分子溶出。这两方面的作用提高了煤表面羟基和溶剂中芳环间OH-π氢键的数目,因此提高了褐煤油煤浆的黏度和触变性。而石英和粘土类矿物则阻碍了褐煤表面羟基和溶剂中芳香性分子的接触,从而减少了两者间所形成的OH-π氢键,因而其降低了褐煤油煤浆的黏度和触变性。  (3)褐煤热解过程中,随着环状羟基四聚体、自缔合羟基多聚体和OH-醚氢键的分解,生成的自由羟基将与芳环形成OH-π氢键。在气氛中加入芳香性分子后,这些分子将吸附于煤表面。一方面这些吸附的芳香性分子使一些含氧小分子溶出并在煤表面富集,从而改变了煤表面各种氢键的含量和分布。另一方面这些吸附的芳香性分子增加了官能团间的空间位阻,从而促进了环状羟基四聚体的分解和自由羟基含量的增加。这些生成的自由羟基与芳香性溶剂中的芳环结合,从而增加了OH-π氢键的含量。  (4)褐煤热解过程中,石英和粘土类矿物对氢键的分解没有明显的作用,而金属离子对氢键的分解有催化作用。金属离子对氢键的催化作用可能是煤中金属离子与氢键中富电子的氧原子发生静电相互作用,使氧原子上的负电荷向金属离子的方向移动,从而减弱了氢键的强度。
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