褐煤中有机氧和有机氮的赋存形态及其与水的作用机理研究

High water and oxygen contents have been main reason for the difficulty in efficient utilization of lignite so far, and nitrogen is one of the main pollution sources during coal utilization as fuel. Therefore, identify the occurrence forms of organic oxygen and organic nitrogen in lignite, and explore their action mechanism with water are important to the efficient and clean conversion, and high value-added utilization of lignite source. The aim of this project is to dissolve and enrich the oxygen-containing organic species (OCOSs) and nitrogen-containing organic species (NCOSs) of lignite by separable and nondestructive or mild destructive methods, including fractional extraction and sequential thermal dissolution in alcohols solvent. Then, the OCOSs and NCOSs in extracts and thermal dissolution soluble fractions are finely separated into narrow components, or even pure species, by column chromatography, spinning band distillation and medium pressure preparative liquid chromatography. And select some pure species to grow single crystals. The extracts, thermal dissolution soluble fractions, narrow components and pure species will be characterized by GC/MS, HPLC/ITMSn and RRLC/TOF- MS/FTIR, and the pure species and crystals will be characterized by NMR and single crystal XRD，respectively. These experiments and analyses would hopefully identify the occurrence forms of organic oxygen and organic nitrogen in lignite at molecular-level. The hydrogen bond action mechanism of organic oxygen and nitrogen with water will be investigated by quantum chemistry calculation method basing on the typical OCOSs and NCOSs detected in lignite.

水和氧含量高是褐煤长期以来没有得到合理利用的主要原因，而氮是煤作为能源利用的主要污染源之一，深入了解褐煤中有机氧和有机氮的赋存形态及其与水的作用机理对褐煤的有效和洁净转化及高附加值利用具有重要意义。本项目旨在利用分级萃取和醇溶剂中变温热溶等可分离和非破坏或轻度破坏的方法将褐煤中含氧和含氮有机化合物溶出和富集，然后采用柱层析、旋转带蒸馏和中压液相制备色谱等方法将萃取物和热溶物中含氧和含氮有机化合物分离为窄组分乃至纯组分，并选用部分化合物纯品培养单晶，利用气相色谱/质谱联用仪、高效液相色谱/多级离子阱质谱联用仪和快速高分离液相色谱/飞行时间质谱/红外光谱联用仪分析各级萃取物、热溶物、窄馏分和纯组分，通过核磁共振波谱和单晶X射线衍射分析所得纯组分和单晶的准确结构，以期从分子水平上了解褐煤中有机氧和有机氮的赋存形态，进而借用量子化学计算的方法从理论上研究褐煤中有机氧和有机氮与水的氢键作用机理。

煤中有机质的主要元素是碳、氢、氧、氮和硫，其中，作为能源利用，只有碳和氢是有效元素，而氧、氮和硫等杂原子是无效或有害元素。人们尚不了解褐煤中杂原子的赋存形态，有效除去褐煤中杂原子和有效分离褐煤中含杂原子化合物都是富于挑战性的工作。褐煤中氧和氮原子能与水形成氢键，这也是褐煤水分高的主要原因，但迄今褐煤中有机氧和有机氮与水的氢键键合机理及这种氢键作用对褐煤中水存在形态的影响未见报道。.本项目选择我国几种典型褐煤，利用萃取和热溶方法将褐煤中含氧和含氮有机化合物溶出，利用柱层析和中压液相制备色谱对萃取物和热溶物进行富集和精细分离。借助量子化学计算的方法研究褐煤中典型有机氧和有机氮化合物与水的氢键作用机理和水的存在形态。.褐煤中可溶有机氧和有机氮化合物与其形成地质年代有关，胜利（SL）和小龙潭（XLT）大分子网络中游离的含氧化合物分别以酮类和酚类为主。苯和甲醇热溶物中化合物分别以烃类和酚类化合物为主，其中大部分酚类化合物为烷基酚和甲氧基酚，而丙酮热溶物以酮类化合物为主，并且丙酮表现出对热溶物中含氮有机化合物良好的溶解性。CDS和丙酮在白音华褐煤（BYH）萃取过程中以及甲苯和甲醇在BYH萃余煤热溶过程中存在明显的协同效应。热溶物中的含氮化合物主要为N1和N3类化合物，其中N1类化合物中又以N1O1、N1O2和N1OxS1-2类化合物为主，而N3类化合物以N3OxS1-2为主。苯酚-(H2O)2复合物中最稳定结构是形成一个氢键水链环，随着水分子的增多，将增强形成氢键复合物的能力。 .从分子水平上了解褐煤中有机氧和有机氮的赋存形态及其与水的作用机理对有效分离和利用褐煤中含氧和含氮有机化合物及揭示褐煤中水的赋存形态具有重要意义。同时，本研究对加深植物转化成煤的演变进程和丰富有机地球化学知识也具有重要意义。