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褐煤分子结构模型构建与优化

朱红青 何欣 霍雨佳 谢雨佚 王巍 方书昊

朱红青, 何欣, 霍雨佳, 谢雨佚, 王巍, 方书昊. 褐煤分子结构模型构建与优化[J]. 矿业科学学报, 2021, 6(4): 429-437. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.007
引用本文: 朱红青, 何欣, 霍雨佳, 谢雨佚, 王巍, 方书昊. 褐煤分子结构模型构建与优化[J]. 矿业科学学报, 2021, 6(4): 429-437. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.007
Zhu Hongqing, He Xin, Huo Yujia, Xie Yuyi, Wang Wei, Fang Shuhao. Construction and optimization of lignite molecular structure model[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2021, 6(4): 429-437. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.007
Citation: Zhu Hongqing, He Xin, Huo Yujia, Xie Yuyi, Wang Wei, Fang Shuhao. Construction and optimization of lignite molecular structure model[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2021, 6(4): 429-437. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.007

褐煤分子结构模型构建与优化

doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.04.007
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFC0801800

国家自然科学基金 51774290

详细信息
    作者简介:

    朱红青(1969—),男,湖南双峰人,教授,博士生导师,主要从事矿井火灾与瓦斯防治方面的研究工作。Tel: 13701131805, E-mail:zhq@cumtb.edu.cn

    通讯作者:

    何欣(1992—),女,安徽淮南人,博士研究生,主要从事矿井火灾防治方面的研究工作。Tel: 13622015962, E-mail:hhhhhx0406@163.com

  • 中图分类号: TQ531

Construction and optimization of lignite molecular structure model

  • 摘要: 针对煤分子建模方法较多且不统一的现状,本文从微观角度出发,选取对分子结构影响较小的物理方法,探究了褐煤大分子结构并对其进行优化,提出了一种较为简便的煤大分子建模方法。基于元素分析、核磁共振碳谱测试及X射线光电子能谱测试的实验方式,利用分子动力学模拟软件对褐煤进行了分析研究并搭建分子结构模型。研究表明,褐煤大分子中芳香结构多为并五苯,脂肪碳结构多为亚甲基及次甲基结构,烷烃链多为环烷烃结构;氧原子以醚键氧形式为主,其次为羧基氧和羰基氧;氮原子以吡啶氮结构形式存在。优化后煤分子模型结构更加紧凑,能量明显变小,范德华势能作为非键势能的主要组成部分及保持煤分子结构稳定的主要因素,变化最明显。为了构建煤分子晶胞,加入周期性边界条件,根据能量变化得到晶胞密度为1.2 g/cm3,总能量为1 140.624 kJ/mol,与实际情况基本相符,验证了该建模方法的实效性。该研究为直观认识煤大分子结构提供了方法,并对煤与瓦斯突出、煤自燃等灾害事故的机理研究及防治具有重要意义。
  • 图  1  13C-NMR检测分峰拟合谱

    Figure  1.  13C-NMR detection peak fitting spectrum

    图  2  褐煤X射线光电子能谱图检测谱图和C、O、N元素分峰拟合谱图

    Figure  2.  XPS detection spectrum and C, O, N element peak fitting spectrum of lignite

    图  3  褐煤分子结构模型

    Figure  3.  Molecular structure model diagram of lignite

    图  4  分子结构模型核磁预测谱

    Figure  4.  13C-NMR of molecular structure model

    图  5  分子结构建模方法框架

    Figure  5.  Framework of molecular structure modeling method

    图  6  优化后褐煤大分子结构模型

    Figure  6.  Macromolecular structure model diagram of lignite after optimization

    图  7  标准情况下密度-能量图和晶胞结构褐煤大分子结构图

    Figure  7.  Density-energy diagram under the standard conditions and molecular structure of lignite

    表  1  13C-NMR谱图化学位移的结构归属

    Table  1.   Structural attribution of chemical shifts in 13C-NMR spectra

    碳结构名称 主要归属 典型化学位移/10-6 碳结构名称 主要归属 典型化学位移/10-6
    脂甲基碳 14~16 质子化芳碳 100~129
    芳环甲基碳 16~22 桥头芳香碳 129~137
    亚甲基碳、次甲基碳 22~36 侧枝芳香碳 137~148
    次甲基碳、季碳 36~50 氧取代芳香碳 148~165
    氧接甲基及氧接亚甲基碳 50~56 羧基碳 165~188
    氧接次甲基碳 60~70 醛、醌、苯基酮的羰基碳 188~205
    氧接季碳 75~90 链烷酮、环烷酮的羰基碳 205~220
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    表  2  煤样元素构成

    Table  2.   Element composition of coal sample

    质量/mg C/% H/% O/% N/% S/%
    1.653 58.88 4.36 25.38 0.65 0.21
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    表  3  结构归属及相对面积

    Table  3.   Structure and relative area

    结构归属 结构比例/%
    质子化芳碳 22.161
    桥头芳香碳 19.698
    亚甲基碳、次甲基碳 19.255
    次甲基碳、季碳 11.987
    侧枝芳香碳 10.166
    氧取代芳香碳 7.151
    氧接甲基及氧接亚甲基碳 4.697
    芳环甲基碳 1.455
    链烷酮、环烷酮的羰基碳 1.446
    氧接次甲基碳 1.130
    脂甲基碳 0.771
    醛、醌、苯基酮的羰基碳 0.082
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    表  4  褐煤13C-NMR结构参数

    Table  4.   13C-NMR structural parameters in lignite

    fa faC fa faN faH faP
    60.74 1.53 59.18 37.02 22.16 7.15
    faS faB fal fal* falH falO
    10.17 19.7 39.29 14.21 19.26 5.83
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    表  5  优化后褐煤大分子结构能量

    Table  5.   Energy of macromolecular structure of lignite after optimization kJ/mol

    总能量 非成键能 价电子能
    氢键能 范德华能 库仑能 键伸缩能 键角能 扭转能 反转能
    优化前 45 036.044 0.000 31 114.270 -53.144 12 462.340 364.826 1 126.894 20.862
    优化后 3 680.514 0.000 1 939.305 -141.607 487.150 522.143 852.746 20.779
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    表  6  密度为1.2 g/cm3褐煤大分子结构能量

    Table  6.   Energy of macromolecular structure for lignite after optimization under 1.2 g/cm3

    密度/(g·cm-3) 总能量/(kJ·mol-1) 非成键能/(kJ·mol-1) 价电子能/(kJ·mol-1)
    氢键能 范德华能 氢键能 范德华能 氢键能 范德华能 氢键能
    1.2 1 140.624 0 2 090.887 -3 353.010 443.876 833.981 1 058.200 66.693
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-17
  • 修回日期:  2021-03-15
  • 刊出日期:  2021-08-01

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