抑制煤自燃过程关键活性基团的抗氧化型复合阻化剂研究

发布时间：2020-08-24 16:30

【摘要】：煤炭在开采、储存与应用过程中长期面临严重的自然发火威胁,严重影响了煤矿的安全生产和可持续发展。喷洒阻化剂是预防煤自燃的重要技术之一,但现有阻化剂仍存在着阻化效果单一和阻化效率低等问题。本文基于煤自燃链式反应机理,采用高效抗氧化剂褪黑素作为化学阻化成分,高吸水性树脂聚丙烯酸-海藻酸钠作为物理阻化成分,制备了抗氧化型物理-化学复合阻化剂,并采用傅里叶原位红外光谱和煤自燃倾向性氧化动力学测试方法,从微观和宏观的角度验证了其对煤自燃高效的阻化效果,对煤自燃阻化剂的研究和煤自燃防治的开展有重要的理论指导意义。首先,基于煤氧化关键基元反应和抗氧化剂抑制煤氧化的微观机理,选取了抗氧化剂褪黑素作为研究对象,采用傅里叶原位红外光谱测试方法,分析比较了不同抗氧化剂对煤自燃过程中关键活性基团的影响,从多种抗氧化剂中筛选出了褪黑素作为高效的煤自燃化学阻化成分。其次,采用量子化学计算的方法,分析推导了褪黑素抑制煤氧化的微观机理,并通过原位红外光谱测试得出其最佳添加比例。在煤氧化升温过程中,褪黑素对于甲基、亚甲基和羟基氧化的抑制和对醚键生成的促进具有优异的效果。具体表现为褪黑素分子苯环侧链的碳碳双键作为反应活性轨道,优先与煤氧化反应生成的脂氧和脂过氧自由基反应,生成稳定的醚键结构R-O-R’,从而有效抑制活跃的煤氧化链式反应,使煤温不能达到较高的温度,抑制煤的自燃。通过对多种比例的褪黑素阻化煤样测试分析,结果表明褪黑素的最佳添加比例为6wt%。最后,在此基础上,通过化学交联制备了由褪黑素与聚丙烯酸-海藻酸钠复配制成的抗氧化型物理-化学复合阻化剂。相比单一的褪黑素,其阻化效果明显增强;在高温阶段,因聚丙烯酸-海藻酸钠的交联网络和笼式包覆结构,褪黑素的稳定性被很好的保护,实现了多级释放和持续阻化的效果,能持续稳定地抑制煤氧化过程中CO的生成,提高煤氧化的交叉点温度,降低70℃时氧气消耗速率;褪黑素与聚丙烯酸-海藻酸钠最佳的复配质量比为1:4。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD752.2
【图文】：

示意图,氧吸附,链式反应,煤自燃

硕士学位论文6图1-2 煤氧吸附链式反应过程示意图Figure 1-2 Schematic diagram of chain reactions of coal oxidation国内相关研究者也对煤自燃机理进行了大量的研究。徐精彩[33]、葛岭梅等[34]研究了煤中活性基团的种类及其活性顺序，推导了煤自燃产物的反应过程，得到了与上述国外学者一些相同的结果。王继仁等[35-37]通过量子化学方法计算模拟了煤分子结构简化模型中煤自燃过程中的一些产物产生过程，石婷[38]、王宝俊等[39,40]针对独立基团进行了反应机理的量子化学研究。戚绪尧等人推导出了羟基和羧基的基元反应[41]，并通过量子化学计算验证了反应的可行性，得出了反应的活化能和放热量[18, 19]。煤自燃阻化剂正是基于以上煤自燃机理，从宏观和微观上切断煤氧化和自燃的关键因素。即从物理角度吸收煤温、隔绝氧气，或从化学角度针对性地破坏煤分子结构活性基团，阻断煤自燃自由基的链式反应，从而抑制煤氧化升温的速率，将煤自燃发展过程抑制在自热期以下。1.2.2 煤自燃阻化剂的研究煤自燃的阻化机理主要包括两个方面：宏观方面从影响煤氧化过程的温度、氧浓度等外在因素出发，有吸热降温、隔绝氧气等方法，主要是减少氧化反应的发生；微观方面从氧化反应的化学机理出发

煤氧化,抑制机理,维生素C,过氧基

了脂过氧基理论上会发生的一系列链式反应，有效的减缓了煤氧化的发展进程，如图 2-1 所示。图2-1 维生素 C 对煤氧化反应的抑制机理Figure 2-1 Mechanism of VC inhibiting coal oxidation

褪黑素,化学结构式,氧化性自由基,化学名称

化学名称为 N-乙酰基-5-甲氧基色胺，化学结构式如图 2-2 所示。图2-2 褪黑素的化学结构式Figure 2-2 Chemical structure of melatonin褪黑素的抗氧化性较强，能清除许多不同种类的氧化性自由基[97]，被广泛

【参考文献】