CN102539376A - 一种煤表面官能团物理吸氧量的测定方法 - Google Patents

一种煤表面官能团物理吸氧量的测定方法 Download PDF

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Abstract

一种煤表面官能团物理吸氧量的测定方法，适用于煤自燃特性研究和煤矿煤层的自燃倾向性的定性与分类。通过测试煤样表面主要吸氧官能团的含量及其吸附氧气、解吸氧气后的官能团变化量大小，判断煤的物理吸氧量的大小，定量给出各主要吸氧官能团对氧气的吸附能力。煤样表面含有的主要吸氧官能团的数量越多，吸氧、解吸后的官能团变化量越大，则对应的物理吸氧量也越大。能够有效地辅助判断煤矿煤层的自燃倾向性，同时从煤样化学结构角度揭示煤样吸氧能力。整个测定过程只需测试吸附氧气后的煤表面官能团红外光谱图和通氮气解吸氧气后的煤表面官能团红外光谱图，一般只需7-10min即可完成，且具有很高的可重复性。其方法简单，操作方便，省时省力，测试结果准确。

Description

一种煤表面官能团物理吸氧量的测定方法
技术领域
本发明涉及一种煤表面官能团物理吸氧量的测定方法，尤其适用于辅助判断煤矿煤层的自燃倾向性的定性与分类，揭示煤表面官能团对氧气的吸附特性。
背景技术
煤炭自燃是我国煤矿安全生产面临的主要灾害之一，我国有自燃倾向性的煤层占开采煤层总数的79.93%，国有重点煤矿可采厚煤层的矿井基本上都存在自然发火的问题。煤炭自燃产生的主要原因是煤氧复合氧化作用，煤对氧的吸附是煤氧复合氧化作用的关键因素，因此研究煤对氧的吸附作用是煤自燃研究的基础。煤对氧气的吸附作用已经作为判断煤自燃倾向性的主要指标应用于色谱吸氧法(GB/T 20104-2006)和氧化动力学方法（AQ/T 1068-2008)。目前，国内外许多学者根据煤的恒温静态耗氧或升温氧化过程耗氧等宏观角度研究煤对氧气的吸附作用，虽然借较为客观，但测试周期较长；此外，上述测得的煤的耗氧量中，一部分是煤样表面官能团对氧气的吸附消耗，一部分是煤样孔隙结构对氧气的吸附留存，而其中前者对煤氧复合氧化作用起直接的决定性作用，后者则仅为煤表面官能团吸附氧气提供了空间环境，故所测得的总体耗氧量不利于阐明煤自燃的发展过程。此外，还有一些学者从微观特征入手，采用量子化学方法从分子结构模型、官能团等微观角度研究煤对氧的吸附作用，但该方法目前仍局限与模拟推理，缺乏真实实验数据的支撑。因此，在煤自燃倾向性的测定方法以及煤低温氧化过程的研究中，煤对氧气吸附作用的测定方面仍存在一定误差，与煤氧复合反应的实际相去甚远。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存在的煤物理吸氧量测试时间长、受煤自身物理孔隙结构影响的问题，提供一种测试时间短、方法简单、操作方便、定量分析、能够反映煤结构本质的表面官能团氧气物理吸附特性的煤自燃倾向性测定方法。
本发明的煤表面官能团物理吸氧量的测定方法，包括如下步骤： 
（1）取新鲜煤样进行破碎，筛分取颗粒直径为0.053 mm-0.075 mm的煤样，对煤样进行干燥处理；
（2）将干燥后的煤样放入傅里叶变换红外光谱仪的原位反应池中，并向原位反应池中通入100 mL/min流量的氧气2 min，同时将其设定为30℃恒温运行；
（3）测试原位反应池中煤样的第一幅红外光谱图；
（4）切换氧气为100 mL/min流量的氮气，使煤样在氮气流下脱附氧气5 min，测试原位反应池中煤样的第二幅红外光谱图；
（5）分析两幅红外光谱图，分别求出不同波数范围内的煤表面官能团在不同条件下的峰面积A1、A2、A3，并代入下式计算得到煤表面官能团的物理吸氧量V：
V=10×（A△/A3+A△/A4）×1 cm3/g
A△=A1-A2
式中：
峰面积A1——通氧气后2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A2——通氮气后2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A3——通氧气后2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面所有官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A4——通氧气后400cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面所有官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A△——通氧气和通氮气两种条件下2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团红外光谱峰面积的变化量；
根据计算得到的物理吸氧量V值，对煤样的自燃倾向性进行排序，物理吸氧量V值越大，则相应煤自燃倾向性越高，反之则越小。
所述对煤样进行干燥处理在真空条件下进行，煤样干燥环境温度控制在40℃。
有益效果：本发明通过测试煤样表面主要吸附氧官能团的含量及其吸氧解吸的官能团变化量大小，判断煤的物理吸氧量的大小，并定量给出各主要吸附官能团对氧气的吸附能力。由于煤中含有的主要吸附氧官能团的量越多，吸氧解吸后的官能团变化量越大，煤样的物理吸氧量就越大。从而能够有效地辅助判断煤矿煤层的自燃倾向性，同时揭示煤样结构最根本的氧吸附能力。整个测定过程只需测试正常吸附氧条件下的煤表面官能团红外谱图和通氮气解吸后的煤表面官能团红外谱图，一般只需7-10min即可完成，比传统方法节省了大量时间，且具有很高的可重复性。其方法简单，快捷有效，操作方便，简单可靠，省时省力，测试结果准确，在本领域内具有广泛的实用性。
具体实施方式
实施例一、对北皂褐煤样品破碎筛分后，取颗粒直径在0.053 mm-0.075 mm的煤样，将煤样置于40 ℃的真空环境条件下进行干燥处理后，取4 mg干燥煤样放入傅里叶变换红外光谱原位反应池中，通入流量为100 mL/min的氧气2 min，同时将其设定为30℃恒温运行，测试原位反应池中煤样的第一幅红外光谱图。慢慢调节二通阀，切换氧气为100 mL/min流量的氮气，使煤样在氮气流下脱附氧气5 min，测试原位反应池中煤样的第二幅红外光谱图，完成测试过程。分析两幅红外光谱图，分别求出不同波数范围内的煤表面官能团在不同条件下的峰面积A1、A2、A3，并代入下式计算得到煤表面官能团的物理吸氧量V：
A1、A2、A3，并代入下式计算得到煤表面官能团的物理吸氧量V：
V=10×（A△/A3+A△/A4）×1 cm3/g
A△=A1-A2
式中：
峰面积A1——通氧气后2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A2——通氮气后2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A3——通氧气后2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面所有官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A4——通氧气后400cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面所有官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A△——通氧气和通氮气两种条件下2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团红外光谱峰面积的变化量；
通过谱图解析得到波数范围在2000cm-1-4000 cm-1之间的羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团的含量，以及解吸氧气后上述官能团的变化量，如下表：
Figure 576087DEST_PATH_IMAGE002
将上述表中数据带入下列公式中，得到煤表面官能团的物理吸氧量V为:
V= 10×（A△/A3+A△/A4）×1 cm3/g =10×（8.26%+4.916%）×1 cm3/ g=1.3176 cm3/ g
此值可辅助判断煤的自燃倾向性，揭示了煤表面官能团的吸氧能力较大。通过重复测试，发现该方法具有很高的可重复性。
实施例二、采取河南义马常村矿长焰煤样品，步骤和条件同实施例一，略。测得波数范围在2000cm-1-4000 cm-1之间的羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团的含量，以及解吸氧气后上述官能团的变化量，如下表：
Figure 398550DEST_PATH_IMAGE004
将上述表中数据带入公式，得到煤表面官能团的物理吸氧量V：
V= 10×（A△/A3+A△/A4）×1 cm3/g =10×（5.90%+3.205%）×1 cm3/ g=0.9105 cm3/ g
实施例三、采取陕西彬长大佛寺不粘煤样品，步骤和条件同实施例一，略。测得波数范围在2000cm-1-4000 cm-1之间的羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团的含量，以及解析后上述官能团的变化量，如下表：
 
将上述表中数据带入公式，得到煤表面官能团的物理吸氧量V：
V=10×（A△/A3+A△/A4）×1 cm3/g =10×（5.44%+2.204%）×1 cm3/ g=0.7644 cm3/ g
实施例四、采取宁夏石嘴山卡布梁矿区煤样，步骤和条件同实施例一，略。测得波数范围在2000cm-1-4000 cm-1之间的羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团的含量，以及解析后上述官能团的变化量如下表：
Figure 802166DEST_PATH_IMAGE008
将上述表中数据带入公式，得到煤表面官能团的物理吸氧量V：
V= 10×（A△/A3+A△/A4）×1 cm3/g =10×（2.94%+0.965%）×1 cm3/ g=0.3905 cm3/ g
综上四种煤样的自燃倾向性测试结果和本方法测得的煤表面官能团物理吸氧量结果对比如下：
煤样 北皂褐煤 义马长焰煤 大佛寺不粘煤 卡布梁无烟煤
自燃倾向性大小顺序 第一 第二 第三 第四
官能团对氧气的吸附量% 1.3176 0.9105 0.7644 0.3905
由于官能团对氧气的吸附情况直接决定着煤的低温氧化特性，也是最先发生反应的表面结构部位。通过上述对比分析结果可知，该方法测试简单，耗时很少，煤样用量很少，同时得到的官能团对氧气的吸附量与煤的自燃倾向性具有很好的对应关系，能够有效区分各煤种的自燃倾向性大小顺序。

Claims (2)

1.一种煤表面官能团物理吸氧量的测定方法，其特征在于，包括如下步骤： 
（1）取新鲜煤样进行破碎，筛分取颗粒直径为0.053 mm-0.075 mm的煤样，对煤样进行干燥处理；
（2）将干燥后的煤样放入傅里叶变换红外光谱仪的原位反应池中，并向原位反应池中通入100 mL/min流量的氧气2 min，同时将其设定为30℃恒温运行；
（3）测试原位反应池中煤样的第一幅红外光谱图；
（4）切换氧气为100 mL/min流量的氮气，使煤样在氮气流下脱附氧气5 min，测试原位反应池中煤样的第二幅红外光谱图；
（5）分析两幅红外光谱图，分别求出不同波数范围内的煤表面官能团在不同条件下的峰面积A1、A2、A3，并代入下式计算得到煤表面官能团的物理吸氧量V：
V=10×（A△/A3+A△/A4）×1 cm3/g
A△=A1-A2
式中：
峰面积A1——通氧气后2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A2——通氮气后2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A3——通氧气后2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面所有官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A4——通氧气后400cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面所有官能团的红外光谱峰面积的总量；
峰面积A△——通氧气和通氮气两种条件下2000cm-1-4000 cm-1波数范围内煤表面羟基、甲基亚甲基、羧基等官能团红外光谱峰面积的变化量；
根据计算得到的物理吸氧量V值，对煤样的自燃倾向性进行排序，物理吸氧量V值越大，则相应煤自燃倾向性越高，反之则越小。
2.根据权利要求1所述的煤表面官能团物理吸氧量的测定方法，其特征在于：所述对煤样进行干燥处理在真空条件下进行，煤样干燥环境温度控制在40℃。
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