煤中有机质脂链分布和芳环缩合度对煤的可溶性和加氢液化反应性影响的研究

煤中有机质主要含大分子成分，组成结构十分复杂，其中脂链和芳环是重要的组成部分，对煤的可溶性和加氢液化（HL）反应性影响巨大。本项目采用分级萃取技术将煤分离成各级萃取物和萃余煤，利用气相色谱/质谱联用、气相色谱/红外光谱联用、快速高分离液相色谱/飞行时间质谱/红外光谱联用和核磁共振波谱（NMR）等手段分析各级萃取物和液化油并利用红外显微镜和NMR等手段分析煤、萃余煤和HL残渣，从分子水平上了解各级萃取物和液化油中的脂链分布和芳环类型，提供煤、萃余煤和HL残渣中脂类和芳环部分相对含量的信息；用钌离子催化氧化和后续的酯化的方法选择性地转化煤及其各级萃取物和萃余煤及HL残渣中的芳环为酯基，并用上述色谱/质谱/红外光谱联用等手段分析所得产物，揭示各样品中脂链分布的规律。通过比较所得结果，深入研究脂链分布和芳环缩合度对煤的可溶性和加氢液化反应性影响，为开发煤的定向转化和高附加值利用技术提供科学依据。

重点考察了几种国产煤的分级萃取、所得萃余煤的逐级热溶/醇解和所得残渣的氧化解聚及神府煤液化残渣的萃取分离，利用多种先进的手段分析了所得可溶物和煤液化油，旨在从分子水平上了解所得可溶物和煤液化油中的脂链分布和芳环类型及其对煤的可溶性和加氢液化反应性影响，为开发煤的定向转化和高附加值利用技术提供科学依据。研究结果表明：（1）低阶煤，特别是褐煤中富含脂链和含氧桥键，在醇类溶剂中热溶时醇中的氧亲核进攻含氧桥键中与氧相邻的碳原子，通过后续的氢转移或烷基转移导致含氧桥键的断裂，即发生了醇解反应；溶剂的亲核性越强，醇解越容易进行；（2）煤中含芳环成分包括三大类：常温下可萃取的1-7环芳烃、常温下难萃取但通过热溶/醇解可解离析出的芳香族化合物和通过热溶/醇解难解离析出的高度缩合的芳香族大分子成分；第一类成分芳环上的取代基以甲基为主，第二类成分芳环侧链烷基碳数随煤的变质程度的降低呈增加的趋势，而芳环的缩合程度呈减小的趋势，芳环间桥键的碳数可高达22，但以C1至C3为主；前两类成分是煤液化油的前驱体，第三类成分因缺乏桥键，难于降解，以残渣的形态存在；（3）与低阶煤相比，烟煤中富含缩合芳烃，含有少量含杂原子的有机化合物（HAOCs）；二硫化碳通过破坏缩合芳烃之间的pai-pai作用力（PPI）从烟煤中萃取缩合芳烃，而甲醇通过破坏HAOCs之间的氢键从烟煤中萃取含HAOCs；（4）低阶煤中富含烷烃和烷酮，但缺少常温下可萃取的芳烃和酚类成分，通过热溶/醇解可以析出部分缩合芳烃和酚类成分；含酚物种可能以很强的非共价键（包括氢键和PPI）与其它成分作用或者其前驱体是与大分子基团通过较弱的共价键结合的苯氧基，通过热溶解聚离解这些非共价键并破坏某些连接苯氧基的桥键从而析出酚类化合物；（5）煤液化油中的主要成分和典型成分是多环烷烃、氢化芳烃、缩合芳烃、氧芴及其衍生物和链烷烃，芳环上的侧链基团主要是甲基；（6）煤液化残渣中主要的可溶成分是缩合芳烃，次要成分是烷烃、有机氧和烷胺，不溶成分是高度缩合的芳香族成分，其中部分成分含氨基；二硫化碳/丙酮混合溶剂对煤液化残渣具有优良的可溶性，所得可溶物可能成为制备高性能炭材料和获取高附加值化学品的理想原料；（7）通过柱层析等从煤及其衍生物中分离出一系列有机化合物纯品。在SCI源的国际学术期刊上发表27篇论文，获得授权5件国家发明专利和2件实用新型专利。