离子液体对褐煤中弱键合结构的解离及其控制机制的研究

从分子水平上揭示褐煤中弱键合结构（非共价键和弱共价键）的结构特征及其解离行为是褐煤分级转化多联产技术突破的理论基础。本项目基于离子液体对褐煤中氢键和褐煤结构相关的模型化合物中桥键的高效解离性能,通过考察离子液体的种类和结构、反应条件（介质、气氛、温度和催化剂种类）对褐煤结构相关的模型化合物中桥键、褐煤及经不同预处理后的褐煤中弱键合结构解离的影响规律、分析不同反应条件下所得残煤和产物的组成和结构的变化规律，来探索褐煤中弱键结构信息，揭示离子液体作用下褐煤中弱键选择性断裂规律及其对离子液体结构和反应条件的要求、离子液体与褐煤中弱键的作用机理；进而在此基础上考察褐煤中弱键在功能化离子液体和特定条件下的控制解离规律和产物析出规律，揭示离子液体可控解离褐煤中弱键的过程调控原理。本研究不仅有助于揭示褐煤中弱键合结构特征和解离控制机制，而且可为调控褐煤中弱键解离过程来制备化学品或低碳燃料提供理论依据。

从分子水平上揭示褐煤中弱键合结构的结构特征及其解离行为是研究煤结构和开发褐煤定向转化技术急需解决的关键科学问题。本项目利用离子液体结构和性能的可调性来探索了褐煤中弱键合结构的结构特征及其解离行为，主要研究了褐煤中氢键在离子液体中的解离规律、离子液体的种类和结构、解离条件对与褐煤结构相关的模型化合物和褐煤中弱键合结构解离的影响规律、通过分析褐煤解聚产物的组成和结构的变化探索了褐煤中弱键结构信息、离子液体对褐煤中弱键合结构的作用机理及褐煤中弱键在离子液体作用下的可控解离。发现离子液体-1-丁基-3-甲基咪唑氯盐[Bmim]Cl对先锋褐煤具有优良的萃取性能；萃取温度和离子液体/煤比显著影响其在离子液体中的解聚。煤种显著影响离子液体对其萃取率，随着煤阶的提高，[Bmim]Cl对煤的萃取率逐渐降低；萃取率随着煤中氧含量的增加而增大、碳含量的增加而减小。[Bmim]Cl可以在较温和的条件下有效的破坏褐煤中各氢键，对褐煤中OH-π氢键、自缔合的羟基多聚体和紧密结合的羟基四聚体的破坏作用最为显著；萃取温度和[Bmim]Cl/煤值高时，褐煤中氢键破坏的量越大，萃取物主要为褐煤中芳烃化合物含有Car-O-Car和Car-O-Cal等结构。离子液体阴离子的种类显著影响离子液体对褐煤的萃取性能；不同阴离子的咪唑型离子液体对褐煤的萃取率由高至低依次为Cl->H2PO4->Br-=OH->BF4->BrO3->PF6-；不同种类的离子液体对褐煤中氢键的破坏作用显著不同。离子液体促进模型化合物中弱共价键的热溶解聚。[Bmim]Cl预处理后一定程度上破坏了煤分子间的弱键合结构，从而破坏了煤分子间的缔合结构，导致煤的溶胀度增加。同时[Bmim]Cl预处理导致煤结构中羰基含量大量上升、芳环侧链被破坏、可以脱除煤中部分矿物质和破坏煤中芳环间的交联结构。经过[Bmim]Cl预处理后煤样的自由羟基含量减少，羧基和醚键含量增加；预处理后样品中芳环上的C-H含量大幅度增加，而芳环之间的大π键含量减少，煤结构中芳环间的高度交联作用被破坏；预处理后煤中氢键被破坏及部分矿物质被脱除。本项目的研究不仅有助于揭示褐煤中弱键合结构特征和解离控制机制，而且可为调控褐煤中弱键解离过程来实现可控解离褐煤中弱键制备化学品或超洁净燃料提供了理论依据。项目执行期间发表论文34篇，培养硕士生8名。