柳林3~#煤的超分子构建及分子模拟

发布时间：2017-05-27 16:15

  本文关键词：柳林3~#煤的超分子构建及分子模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤中非共价键作用的研究可以看出,煤分子之间及其与溶剂间的非共价键作用具有一个显著的特征：非共价键广泛存在且分子间的作用具有选择性。从超分子化学角度,可以认为这些结构为超分子实体,它们具有超分子结构的基本特征,如确定的结构和构象。同时煤在Cdaf=87%,Vdaf=29%,R0m=1.3%出现第二次煤化作用跃变,伴随着此次跃变,煤萃取率达到最大值。因此要想认识第二次煤化作用和萃取之间的关系,则必须深入认识煤的微观结构。近年来计算机辅助分子设计(Computer-Aided Molecular Design, CAMD)技术在煤大分子结构研究中的广泛应用,不但可以方便的构建某一特定煤的大分子结构模型,而且还可以了解其三维立体结构,同时在分子力学、分子动力学和量子化学等研究的基础上,认识煤的微观结构参数,以及不同变质程度煤在微观结构上的差异性。因此,本文以柳林3#镜煤吡啶抽提残煤(柳林3#原煤的Cdaf=88.18%,Vdaf=25.49%,R0m=1.294%)和抽提沥青质为研究对象,采用13C CP/MAS NMR和XPS对其结构分析,获得残煤和沥青质的结构特征,构建计算13C CP/MAS NMR计算谱图能够与实验谱图较好吻合的模型。在此基础上应用分子力学和分子动力学方法构建了煤的超分子结构。主要结论如下： 1柳林3#残煤结构中芳香碳原子主要以蒽的形式存在。脂肪碳以很短的侧链形式存在,在结构中起到联接芳香结构单元的作用。氧主要是以酚羟基和醚氧键的形式存在,同时还有羰基。 2沥青质的芳香部分主要以萘和蒽的形式存在,脂肪侧链很长,氧主要以酚羟基的形式存在,同时存在少量的羰基和羧基。 3稳定的柳林3#残煤大分子结构能量按其大小排序依次为范德华能、键扭转能、键角能与键伸缩能。在该结构模型中,芳环之间的平行排列所占比例很小,这可能是煤在镜质组反射率1.3%左右发生物理化学性质转折的结构因素所致。通过添加周期性边界条件得到该煤的密度为1.22g/cm3。量子化学半经验方法(AM1)模拟结果表明：脂肪侧链中的C-C键较长,因而活性较高；边缘碳原子带有较多的负电荷,而芳香碳原子所带电荷较少,稳定性高。沥青质结构中芳环之间的平行排列在该结构模型中所占比例较小,通过添加周期性边界条件得到其密度为1.15g/cm3。 4由于沥青质和残煤组合形式的不同,导致超分子中的平行构型所占比例各异。沥青质+沥青质和残煤+残煤组合的结构模型显得紧凑,而沥青质+沥青质+残煤+残煤结构中平行构型所占比例少,可见沥青质的存在对柳林3#煤超分子的构型存在影响。超分子形成过程的模拟结果表明,其主要作用力是芳香层片之间的相互作用。此外,超分子形成过程的识别现象还受脂肪侧链等的影响,这些脂肪支链可以起到空间排斥和范德华力相互吸引的作用,进而影响到超分子的形成过程；在沥青质中出现的脂肪侧链会影响到超分子的大小,进而影响其密度的大小；芳香层片之间的相互作用强,同时脂肪侧链的干扰少,超分子的形成过程就相对容易。脂肪侧链影响了氢键的数目以及其它具有方向性作用力的大小。 5非共价键能在分子构型中起到了至关重要的作用,尤以范德华力最为显著；极性基团形成的静电能较范德华力小,表明极化作用并非超分子形成的关键因素。价键能的组成分析可以发现键扭转能最大,其次为键角能,而键反转能最小,这是因为在能量最小化构型中键的扭转和键角的变化是煤大分子具有立体构型的基础。不同组合超分子识别过程中,静电能的变化不是很明显,可能是由于超分子的形成不受静电力的影响所致。 6应用XRD分析得到柳林3#原煤构型中d002、La和Lc的平均值分别为3.50A、12.30A和12.40A,与理论模拟超分子构型得到的3.5A、11.435A和12.20A基本吻合。 7根据柳林3#原煤的抽提率(9.93%),在建立柳林3#超分子构型时保持残煤和沥青质分子1：5的比例,研究表明沥青质和残煤的相对位置会影响到超分子构型,超分子构型中不但出现了芳香层片之间平行构型,还出现了垂直构型。
【关键词】：煤结构 柳林3~#残煤 沥青质 超分子 分子模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ531
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 煤大分子结构研究12-21
• 1.1.1 煤的化学模型12-14
• 1.1.2 煤的物理模型14-15
• 1.1.3 综合模型15-16
• 1.1.4 煤的超分子模型16-21
• 1.2 煤结构的研究方法21-22
• 1.3 分子模拟技术在煤大分子结构研究中的应用22-23
• 1.4 本文的研究内容、方法、目的及意义23-25
• 1.4.1 研究的背景及意义23-24
• 1.4.2 煤超分子的研究内容24-25
• 1.4.3 技术路线25
• 参考文献25-30
• 第二章 煤样的选择、表征及实验30-34
• 2.1 煤样的选择30
• 2.2 样品预处理30-31
• 2.2.1 溶剂抽提及分离30
• 2.2.2 脱灰处理30-31
• 2.3 分析测试方法31-34
• 2.3.1 工业分析和元素分析31
• 2.3.2 反射率的测定31-32
• 2.3.3 核磁共振实验32
• 2.3.4 XPS分析32
• 2.3.5 红外光谱分析(FTIR)32-34
• 第3章 柳林3~#残煤和沥青质分子模型的构建34-56
• 3.1 抽提分析34
• 3.2 柳林3~#残煤分子模型构建34-46
• 3.2.1 煤结构中~(13)C化学位移归属34-35
• 3.2.2 ~(13)C CP/MAS NMR谱图分析35-37
• 3.2.3 XPS分析37-39
• 3.2.4 芳香桥碳与周碳之比39
• 3.2.5 芳香结构单元39-40
• 3.2.6 脂肪碳结构40-41
• 3.2.7 杂原子结构的确定41
• 3.2.8 大分子结模型及结构分析41-46
• 3.3 沥青质模型构建46-54
• 3.3.1 沥青质分子结构及性质分析46-47
• 3.3.2 ~(13)C CP/MAS NMR谱图分析47-48
• 3.3.3 XPS分析48-50
• 3.3.4 芳香桥碳与周碳之比50
• 3.3.5 芳香结构单元50-51
• 3.3.6 脂肪碳结构51
• 3.3.7 杂原子结构的确定51
• 3.3.8 沥青质大分子结构模型及结构分析51-54
• 3.4 结论54
• 参考文献54-56
• 第四章 LLR和沥青质结构的分子力学及分子动力学模拟56-74
• 4.1 引言56
• 4.2 计算机模块简介56
• 4.3 柳林3~#残煤和沥青质结构模型能量最小化构型56-63
• 4.3.1 力场的选择56-57
• 4.3.2 模拟计算方法与参数设置57
• 4.3.3 能量最小化几何构型57-60
• 4.3.4 氢键能的分析60-63
• 4.4 密度计算63-67
• 4.5 LLR结构的微观结构参数67-70
• 4.5.1 计算方法与参数设置67
• 4.5.2 模型的量化参数与反应性关系分析67-70
• 4.5.2.1 模型结构的键长67-69
• 4.5.2.2 模型结构的电荷布居数69-70
• 4.6 结论70-71
• 参考文献71-74
• 第五章 柳林3~#煤的超分子构建74-106
• 5.1 引言74
• 5.2 煤中堆垛结构特征的表征74-77
• 5.2.1 数据处理75-76
• 5.2.2 柳林3~#煤的堆垛特征表征76-77
• 5.3 煤超分子的构建及计算77-101
• 5.3.1 煤超分子构建的计算方法77-78
• 5.3.1.1 力场的选择77
• 5.3.1.2 模拟计算方法与参数设置77-78
• 5.3.2 超分子识别过程的分析78-94
• 5.3.3 柳林3~#煤超分子的构建94-101
• 5.3.3.1 超分子模型a构建94-98
• 5.3.3.2 超分子模型b构建98-101
• 5.4 密度计算101-103
• 5.5 结论103-104
• 参考文献104-106
• 第六章 结论与建议106-108
• 6.1 结论106-107
• 6.2 创新点及建议107-108
• 致谢108-109

【参考文献】

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本文编号：400523