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2024年4月15日发(作者：comparetoignorecase源码)
煤的化学结构及其研究方法
煤，从化学组成上来说，是由大量具有不同分子量的分子组成的混合物；从岩石学角
度来说，是由不同显微煤岩组分组成的；从结构化学来看，是一种短程有序、长程无序，
且具有层次结构的非晶态固体物质；从成因来看，具有阶段性演化特征，即从褐煤经烟煤
至无烟煤的演化，其物理、化学性质的演变具有阶段性演化的特点。
一 煤结构的概念
煤结构研究主要包括两方面的内容：一是煤的化学结构，二是煤的物理结构。
（1）煤的化学结构是指在煤的有机分子中，原子相互联结的次序和方式。从煤的元素
组成上看，煤主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成，此外还有微量的磷、氯和某些金
属元素，其中碳含量大于50%，多数含量在75%~95%之间，所以煤具有高碳物料的特征。
（2）煤的物理结构，传统的物理结构指煤的孔隙结构，主要是指其相界面间空隙及芳
香层间的层间隙。一般用孔隙率、比表面积、孔径分布、孔隙模型等来表征。煤的孔隙结
构实质上是由煤的化学结构决定的。这是因为，煤的芳烃族和官能团之间参差不齐的排列
形成了内部空隙，使煤成为多孔性物质。
（3）煤的岩相组成，从岩相学和矿物学观点上认识煤，可以认为煤是一种固体可燃有
机岩。在宏观上，可以将煤区分为镜煤、亮煤、暗煤和丝炭四种煤岩成分；在微观上，其
有机显微组分在国际上划分为镜质组、丝质组和稳定组三种组分。
煤不同于一般的高分子有机化合物，它具有特别的复杂性、多样性和不均一性。及时
在同意小块煤中，也不存在一个统一的化学结构。
二 煤结构的研究方法
长期以来人们对煤的化学结构的研究方法可以归纳为物理化学方法、化学方法、物理
方法。
1.物理化学研究方法
物理化学研究方法，如溶剂抽提、吸附性能和物化特性法等。溶剂抽提法是研究煤的
组成、结构的最早方法之一，其理是利用溶剂的授、受电子能力使小分子相释放出来的过
程，通过逐级抽提，分析抽提可溶物与不溶物，找出它们与煤结构之间的关系，提出相应
的煤结构模型。该法主要用来研究泥炭、褐煤的化学组成。
煤具有一定的孔隙结构，所以它有一定的吸附性能，利用这一特性，可以测定煤的密
度、比表面积等孔结构参数。
2.化学研究方法
化学研究方法，如氧化、加氢、卤化、解聚、热解、烷基化和官能团分析等，要使固
体煤加氢转化为液体，就要把煤结构中的键断开并同时进行加氢，使其生成比原煤分子小
的液体，一般可认为液化是煤结构单元之间联结的次甲基和氧桥断裂的结果。煤液化转变
为石油原油等需要深度加氢，而转变为沥青类物质只要轻度加氢。
氧化法的目的在于使煤分子破裂变成较简单的产物，这是一个逐渐降解的过程，也可
称为氧解。根据氧化所得产物的结构特征就可以推测出煤的基本结构特征。
将煤在隔绝空气下加热至较高温度时发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过程称
为煤的热解，或称热分解、干馏。煤的热解与煤的组成和结构关系密切，在热解过程中放
出热解水、CO
2
、CO、石蜡烃类、芳烃类和各种杂环化合物，残留的固体不断芳构化，直
至在足够高的温度下转变为类似于微晶石墨的固体。3.物理研究方法
物理研究方法，如X射线、红外光谱、核磁共振波谱以及利用物理常数进行统计结构解
析等。
(1)X射线衍射分析法研究物质的晶体结构时，衍射方向与晶胞的形状和大小有关，衍
射强度则与原子在晶胞中的排列方式有关。因此，他能很好的分析石墨等晶体。煤并不是
晶体，但是由于随着煤化程度的加深，煤的结构渐趋于石墨结构，X射线衍射分析亦能揭示
出煤中原子排列的有序性。
(2)在红外区域出现的分子振动光谱。其吸收峰的位置和强度取决于分子中各基团的振
动形式和相邻基团的影响。因此只要掌握了各种基团的振动频率，即吸收峰的位置，以及
吸收峰位置移动的规律，即位移规律，从而进行光谱解析，确定煤中含有的化合物和官能
团。
(3)用核磁共振法研究煤结构，可以了解氢在煤结构单元中的分布情况，它能详细给出
氢分布的信息。资料表明，对年老煤，脂肪族氢约占总氢量的1/3，对年青煤则约占2/ 3。
这意味着煤化程度的加深使芳香度和缩合环数增加，脂肪族侧链减少。
4.煤的统计结构解析法就是利用结构解析的原理，根据煤的性质和结构的内在联系，
在不使煤质发生破坏的前提下，通过统计计算，求取平均结构单元参数，来定量的描述煤
的结构特征。
三 煤结构研究的新进展及其在新材料中的应用
(1)煤结构的新型研究方法
近年来随着煤炭综合利用的深入进行，煤结构的研究再次引起人们的注意，重要的研
究方法及其提供的信息有：
计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像：孔结构；
电子投射/扫描显微镜（TEM/SEM）、扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜（AFM）：
表面形貌与结构；
质谱：碳原子数分布、碳氢化合物类型、相对分子质量；
X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收近边谱（XANES）：有机S和无机N。
此外，用X射线径向分布函数法解析煤结构也是近年来的一大特色。
(2)煤结构研究在新材料制备中的应用
新型炭材料,如活性炭、活性炭纤维、纳米结构材料等煤基活性炭素材料在开发煤基高
附加值产品上很有潜力；
功能材料，如抗静电和导电材料、离子交换材料和高聚物填料；
复合材料，如聚合物合金材料、神府煤/HDPE共混材料和AB交联共聚物。
赵楠
20100075
化学工艺
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